Репозиторій ЧДТУ
Репозиторій ЧДТУ зберігає і дозволяє легкий і відкритий доступ до всіх видів цифрового контенту, включаючи текст, зображення, анімовані зображення, MPEG і набори даних
Дізнатися більше
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9076| Назва: | «Обґрунтування параметрів лазерного маркування деталей машин і агрегатів для їх ідентифікації та обліку» |
| Автори: | Мацепа, Сергій Михайлович Панасюк, Максим Анатолійович |
| Ключові слова: | Лазерне маркування деталей машин |
| Дата публікації: | 2024 |
| Короткий огляд (реферат): | Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Обґрунтування параметрів лазерного маркування деталей машин і агрегатів для їх ідентифікації та обліку» Виконавець: студент групи мНТ-32 Панасюк Максим Анатолійович. Керівник: ст. викладач Мацепа Сергій Михайлович. Кваліфікаційна робота містить 108 сторінок формату А4, 43 рисунки, 23 таблиці, 90 літературних джерел. Актуальність роботи викликана необхідністю науково обґрунтувати вибір параметрів лазерних маркувальних комплексів для нанесення на поверхні деталей машин і агрегатів, виготовлених з різних матеріалів, інформаційних полів, здатних зберігати інформацію протягом всього терміну служби виробу, з метою їх обліку та ідентифікації. Лазерне маркування металевої продукції - деталей машин і агрегатів - може застосовуватися для зберігання інформації про виріб протягом усього його життєвого циклу. Таке маркування буде довговічним і матиме високу роздільну здатність. В роботі було запропоновано проаналізувати вплив лазерного випромінювання на формування поверхневих структур деталей машин і агрегатів з різних класів матеріалів при їх обробці лазерним маркувальним комплексом, вивчити і систематизувати технологічні підходи вибору операційних режимів процесу маркування, відстежити експлуатаційні властивості нанесених маркувальних зображень, міток, закодованої інформації. |
| URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу): | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9076 |
| Розташовується у зібраннях: | 131 Прикладна механіка (Обробка металів за спецтехнологіями) |
Файли цього матеріалу:
| Файл | Опис | Розмір | Формат | |
|---|---|---|---|---|
| Панасюк.pdf Restricted Access | 1.94 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити Запит копії |
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
До захисту допущено:
Завідувач кафедри ТОМВ
____________Георгій КАНАШЕВИЧ
«_____»_____________2024р.
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра
на тему: «Обґрунтування параметрів лазерного маркування деталей машин і
агрегатів для їх ідентифікації та обліку»
Виконав: здобувач 2 курсу, групи мНТ-32
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка»
Освітня програма – «Обробка металів за
спецтехнологіями»
Панасюк Максим Анатолійович
Керівник: ст. викладач Мацепа Сергій Михайлович
Рецензент: головний інженер ДП «Семпал»
м.Черкаси
Якушев Іван Володимирович
Черкаси 2024 р.
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
Освітній рівень магістерський.
Спеціальність 131 «Прикладна механіка».
Освітня програма «Обробка металів за спецтехнологіями»
ЗАТВЕРДЖУЮ:
Завідувач кафедри ТОМВ
Георгій КАНАШЕВИЧ
« » ____________2024р.
ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу магістра
_Панасюку Максиму Анатолійовичу_
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема роботи «Обґрунтування параметрів лазерного маркування деталей
машин і агрегатів для їх ідентифікації та обліку».
Керівник роботи Мацепа Сергій Михайлович, ст. викладач
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від
«16» вересня 2024р. №272/04
2. Термін подання здобувачем роботи 26. 11. 2024 р.
3. Вихідні дані до роботи: Технологія лазерного маркування, Завдання до розділу
охорона праці та безпека в НС
4. Зміст пояснювальної записки: Літературний огляд способів маркування
готової продукції; Обладнання та проведення досліджень; Технологічні режими
процесу маркування на металевих матеріалах; Охорона праці та безпека в НС
5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових
креслеників, плакатів, презентацій тощо Тема, мета, задачі; Визначення
методів маркування; Характеристики обладнання; Утворення та формування
лазерного зображення; Типи штрих-кодів; Обладнання для лазерного
маркування; Режими маркування; Приклади маркувальних зображень;
Дослідження оброблених поверхонь на стійкість; Охорона праці та безпека в
НС; Загальні висновки
6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата
Розділ
консультанта завдання видав завдання прийняв
Розділ 1-3 Мацепа Сергій Михайлович
Розділ 4 Цікановський Володимир Леонідович
7. Дата видачі завдання 16.09.2024 р.
Календарний план
№ Назва етапів дипломного Строк
Примітка
з/п роботи виконання етапів роботи
1 Збір інформації для написання КРМ 16.04. - 01.10.2024
2 Написання І розділу КРМ 02.10.-15.10.2024
3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2024
4 Написання ІІІ розділу КРМ 25.10 – 2.11.2024
5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2024
6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 25.11.2024
7 Оформлення графічної документації 26.11 – 04.12.2024
8 Захист роботи 17.12.-19.12.2024р.
Здобувач ___________ __Максим ПАНАСЮК__
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ
Керівник ___________ ___Сергій МАЦЕПА__
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ
4
АНОТАЦІЯ
Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Обґрунтування параметрів лазерного
маркування деталей машин і агрегатів для їх ідентифікації та обліку»
Виконавець: студент групи мНТ-32 Панасюк Максим Анатолійович.
Керівник: ст. викладач Мацепа Сергій Михайлович.
Кваліфікаційна робота містить 108 сторінок формату А4, 43 рисунки, 23
таблиці, 90 літературних джерел.
Актуальність роботи викликана необхідністю науково обґрунтувати вибір
параметрів лазерних маркувальних комплексів для нанесення на поверхні деталей
машин і агрегатів, виготовлених з різних матеріалів, інформаційних полів, здатних
зберігати інформацію протягом всього терміну служби виробу, з метою їх обліку
та ідентифікації.
Лазерне маркування металевої продукції - деталей машин і агрегатів - може
застосовуватися для зберігання інформації про виріб протягом усього його
життєвого циклу. Таке маркування буде довговічним і матиме високу роздільну
здатність.
В роботі було запропоновано проаналізувати вплив лазерного
випромінювання на формування поверхневих структур деталей машин і агрегатів з
різних класів матеріалів при їх обробці лазерним маркувальним комплексом,
вивчити і систематизувати технологічні підходи вибору операційних режимів
процесу маркування, відстежити експлуатаційні властивості нанесених
маркувальних зображень, міток, закодованої інформації.
5
ABSTRACT
Master's Qualification Work Topic: "Justification of Parameters for Laser Marking
of Machine and Equipment Parts for Identification and Accounting"
Performer: Student of Group mNT-32, Maksym Panasyuk
Supervisor: Senior Lecturer Serhiy Matsepa
The qualification work contains 108 A4 pages, 43 figures, 23 tables, and 90
references.
The urgency of the work is due to the need to scientifically substantiate the choice
of parameters of laser marking complexes for drawing on the surface of parts of machines
and aggregates made of different materials, information fields, capable of storing
information throughout the life of the product, in order to record and identify them.
Laser marking of metal products - machine parts and aggregates - can be used to
store product information throughout its entire life cycle. Such marking will be durable
and will have high resolution.
In this work it was proposed to analyze the influence of laser radiation on the
formation of surface structures of parts of machines and aggregates from different classes
of materials when they are processed by a laser marking complex, to study and
systematize the technological approaches to the selection of operating modes of the
marking process, to monitor the operational properties of the applied marking images,
labels, and encoded information.
6
Зміст
Вступ ................................................................................................................................. 8
Розділ 1. Літературний огляд способів маркування готової продукції ............... 12
1.1 Аналіз застосування різних способів маркування готової продукції ............ 12
1.2 Аналіз застосування лазерів для отримання кольорових зображень та
інформаційних полів на матеріалах ............................................................................ 17
1.2.1 Фізичні основи лазерної обробки матеріала ................................................. 22
1.2.2 Процеси на поверхні матеріалів при впливі лазерного випромінювання в
процесі нанесення маркування .................................................................................... 24
1.2.3 Нанесення маркування на металічні матеріали лазером .............................. 26
1.2.4 Лазерне маркування пластмас ........................................................................ 28
1.3 Різновиди штрих-кодових символік і аналіз застосування різних зчитуючих
оптико-електронних приладів (сканерів) для ідентифікації інформації штрих-коду
......................................................................................................................................... 29
1.3.1 Види кодувальних символік ............................................................................ 29
1.3.2 Огляд сканерів для зчитування та ідентифікації закодованої інформації
штрих-коду ..................................................................................................................... 32
1.4 Особливості окислення металевих матеріалів при лазерному впливі ........... 34
1.5 Способи передачі зображення за допомогою лазерних комплексів .............. 36
Висновок до розділу 1............................................................................................... 39
Розділ2 Обладнання та проведення досліджень .................................................... 41
2.1 Хімічний склад і властивості досліджуваних матеріалів................................ 41
2.2 Обладнання, що застосовується для маркування виробів ............................ 43
2.3 Отримання зображень на металевих і полімерних матеріалах .................... 47
2.4 Нанесення штрих-кодів на поверхню металів і полімерів ........................... 51
2.5 Дослідження структури і властивостей плівок, які формують маркувальні
зображення на металевих матеріалах .......................................................................... 52
Висновок до розділу 2............................................................................................... 54
7
Розділ 3 Технологічні режими процесу маркування на металевих матеріалах .. 56
3.1 Модель формування багатокольорових графічних зображень на металевій
поверхні .......................................................................................................................... 56
3.2 Модель формування багатокольорових графічних зображень на металевій
поверхні .......................................................................................................................... 60
3.3 Приклад розрахунку режимів формування одномірного штрих-коду на
цирконієвому сплаві ...................................................................................................... 63
3.4 Режими формування контрастних зображень штрих-кодів на металевих
матеріалах ....................................................................................................................... 66
3.5 Дослідження показників якості нанесених маркувальних зображень .......... 70
Висновок до розділу 3............................................................................................... 75
Розділ 4. Охорона праці та безпека в НС ................................................................ 76
4.1 Безпека лазерів і лазерних установок ............................................................... 76
4.2 Джерела небезпечних і шкідливих виробничих факторів при використанні
лазерів та лазерних установок...................................................................................... 77
4.3 Механізми дії лазерного випромінювання ....................................................... 82
4.4 Вплив лазерного випромінювання на очі ......................................................... 90
4.5 Вплив лазерного випромінювання на шкіряний покрив і внутрішні органи 94
Загальні висновки ...................................................................................................... 96
Список використаної літератури ................................................................................. 98
8
Вступ
В процесі виробництва деталей машин і агрегатів в сучасному
машинобудуванні необхідно наносити індивідуальне маркування для
автоматичного зчитування інформації. Таке маркування деталей та вузлів на
кожному етапі виробництва повинна забезпечувати якісне складання одиниць
всього технологічного процесу. Раніше на виробництві наносили на вироби відразу
цілий комплекс маркувань, що включає таку інформацію, як найменування
виробника, варіант виконання, дата виготовлення і підтвердження придатності
деталі. У зв'язку із зростанням і розширенням виробництва машин і агрегатів
підвищилися вимоги до якості продукції, що випускається. У зв'язку з цим виникли
нові завдання, для вирішення яких стало недостатньо використання звичайного
маркування.
У машинобудуванні в процесі виробництва існує поділ вузлів і матеріалів на
категорії, які об'єднуються за певними ознаками. Так як технології, що
застосовуються у виробництві агрегатів і машин, постійно розвиваються, в
удосконаленому виробничому процесі необхідно розділення схем і деталей на
«старі» і «нові» [1]. При цьому маркування дає можливість зберігати дані про деталі
протягом всього терміну їх експлуатації, в тому числі і гарантійного, а також
отримувати найточніші відомості про варіант застосування запасних частин і
матеріалів в кінцевому виробі. Процес маркування деталей вимагає високої
точності і оперативності, які повинні дозволити отримати якісний продукт малими
витратами.
Важливим елементом в промисловому виробництві є ідентифікація виробів.
На вироблену продукцію повинна наноситись інформація, необхідна як для її
відстеження в процесі виробництва, так і для коректного використання в період
експлуатації. Для ідентифікації вироби на нього наноситься його найменування і
технічні дані, логотип виробника або фірмовий знак виробництва, супутня
інформація про час виготовлення продукції, дати тощо. Особливо відповідально
потрібно підбирати спосіб маркування виробів, що піддаються впливу агресивних
середовищ в процесі експлуатації, до яких відносяться деталі машин і агрегатів, що
9
працюють, як правило, в важких умовах, що піддаються високим навантаженням,
а також впливу зовнішнього і робочого середовища.
Таким чином, маркування деталей машин і агрегатів для їх обліку та
ідентифікації - це важливі операції технологічного процесу машинобудівного
виробництва, що входять в обов'язковий цикл роботи виробничої дільниці
підприємства. Якщо в торгівлі і логістиці цілком достатньо використовувати
етикетки на паперових носіях з усією необхідною інформацією на упаковці товару,
яка легко зчитується за допомогою сканера штрих-кодів або терміналу збору даних,
то у важкій промисловості з виробництва машин та агрегатів неможливо обійтися
без надійного і якісного маркування, що наноситься безпосередньо на поверхні
деталей, які в наслідку будуть використовуватися в складі різних конструкцій і
вузлів і часто повинні зберігатися протягом всього терміну служби агрегату.
Однією з основних функцій маркування деталей сучасного
машинобудування є правильне застосування деталей при конвеєрній збірці в більш
жорстких просторових і часових рамках. А при обробці маркувальної інформації
потрібне швидке отримання відповіді про можливість установки певного вузла.
При цьому важливо, щоб при обробці даних були виключені помилки. При таких
вимогах до виробничого процесу важливо максимально усунути людський фактор,
тобто повністю автоматизувати даний процес.
Наявність в даний час на ринку готової продукції великого обсягу
контрафакту (підробленої продукції) зобов'язує виробників посилено розробляти
нові засоби і технології, що забезпечують однозначну ідентифікацію оригінальної
продукції. Використовувані в даний час способи захисту та ідентифікації готової
продукції, такі як голограми, штрих-коди, мікронадписи і ін. не дозволяють
кардинальним чином вирішити дану проблему, тому що вони наносяться на
проміжні носії інформації (папір, пластик та ін.), а не безпосередньо на сам виріб.
Відповідно вони можуть бути відносно легко підроблені і загублені при
експлуатації виробів. У тих же випадках, коли мітки наносяться на сам виріб,
використовувані методи досить сильно деформують поверхню деталей (метод
10
«лазерної насічки») і, найголовніше, не дозволяють записати великий обсяг
інформації про виріб [2-5].
Нанесення штрихових кодів, в першу чергу, двомірних високоплотних
штрих-кодів прямо на вироби, дозволяє вирішувати ще одну важливу задачу -
розміщувати на самому виробі потрібну інформацію з характеристикою умов його
виготовлення та експлуатації.
Традиційні методи маркування не дозволяють наносити добре помітні і
довговічні штрих-коди на промислові вироби, в свою чергу процес лазерного
маркування може забезпечити якісне нанесення і довгострокове зберігання
маркувальної інформації на поверхні виробів. Специфіка маркування за допомогою
спеціальних лазерних маркувальних комплексів полягає в тому, що лазерний
промінь має певний ряд властивостей і при його впливі на речовину відбувається
модифікація поверхні матеріалів з мінімальним термічним впливом на їх поверхню.
Це дозволяє отримати стійке і добре помітне маркування, не пошкоджуючи
поверхню. Змінюючи потужність використовуваного лазера, можливо створювати
унікальні зображення, забезпечуючи максимальну чіткість зображення за рахунок
зміни хімічних, фізичних і оптичних властивостей поверхні оброблюваного
матеріалу.
Маркування, нанесене в процесі обробки лазером, буде стійке до зовнішніх
впливів, не потьмяніє з часом, його можливо нанести навіть на важкодоступні
частини виробів. Завдяки широкій варіативності налаштувань лазерної установки
за допомогою лазерного впливу на вироби може наноситись інформація, яка
змінюється із заданою періодичністю.
Завдяки мінімальній термічній дії на їх поверхню і можливості підбору
технологічних параметрів для формування якісного нанесення штрих-кодів можна
маркувати пластикові, металеві, дерев'яні та інші вироби. Нанесення штрих-кодів,
в першу чергу, двомірних високоплотних штрих-кодів, прямо на вироби дозволяє
вирішувати ще одну важливу задачу - розміщувати на самому виробі потрібну
інформацію з характеристикою умов його виготовлення та експлуатації. Таке
11
маркування дає можливість домогтися автоматизації контрольно-облікових
процесів і забезпечити максимальну ступінь захисту від підробок.
Мета роботи. Метою роботи є перевірка методологічних основ, розробка
математичної моделі і технологічних режимів нанесення маркування на поверхні
виробів з різних матеріалів імпульсним лазером для обліку деталей і їх
ідентифікації.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:
- встановити закономірності фізико-хімічних процесів, що відбуваються на
поверхні деталей машин і агрегатів з металевих і неметалевих матеріалів в процесі
їх лазерної обробки;
- визначити на основі математичної моделі технологічні параметри процесу
лазерної обробки деталей з метою отримання на їх поверхнях маркувальних
символів для матеріалів різних класів (металеві, полімерні);
- відтворити технологічні режими маркування деталей машин і агрегатів для
ідентифікації виробів з ряду металевих і полімерних матеріалів;
- відтворити маркування виробів з різних матеріалів для їх ідентифікації та
обліку;
- дослідити структурний і фазовий склад одержуваних маркувальних
символів, проаналізувати їх експлуатаційні властивості.
Об'єктом дослідження є металеві і полімерні матеріали, найбільш широко
застосовувані для виробництва машин і агрегатів, предметом - процес нанесення
маркувальних інформаційних полів і зображень на поверхні матеріалів під впливом
імпульсного лазерного випромінювання.
12
Розділ 1. Літературний огляд способів маркування готової продукції
1.1 Аналіз застосування різних способів маркування готової продукції
Сьогодні невід'ємним етапом виробничого процесу є промислове маркування
деталей машин і агрегатів. Зміст і вид маркування вузлів і деталей визначаються
внутрішнім регламентом виробника, або вимогами державних структур в сфері
стандартизації. Нанесені на вироби маркувальні символи повинні задовольняти
вимогам стандартів і для товарів різних галузей промисловості можуть відрізнятися
[12-15]. Зазвичай маркування на продукції на її упаковці є буквено-цифровою або
графічною, але в останні роки при необхідності розміщення на невеликих площах
великого обсягу інформації, застосовуються спеціальні закодовані символи у
вигляді лінійних і матричних штрих-кодів. Маркувальні символи часто наносяться
на проміжні носії (паперові етикетки, ярлики, бирки, контрольні стрічки), які при
експлуатації виробів можуть бути стерті, відірвані і загублені. Однак, маркування,
застосовувана при виробництві та використанні обладнання, агрегатів і готових
механізмів повинна бути довговічною, і зберігатися, принаймні, протягом терміну
служби установки. Тому в сучасному виробництві все частіше виникає потреба в
застосуванні так званого прямого маркування деталей (DPM або Direсt Part
Marking) [107], нанесеного безпосередньо на поверхню виробу. Ідентифікація
деталі з маркованою закодованою інформацією включає в себе зчитування
нанесених маркувальних символів і розшифровку внесеної інформації.
Відомі такі способи прямого нанесення маркування [1, 16, 107]:
Метод ударно-точкового гравіювання полягає в механічному впливі на
поверхню маркованого виробу твердосплавною голкою. Голка розміщується
всередині спеціальної робочої головки і, здійснюючи коливання під дією тиску
стисненого повітря, наносить маркувальні символи на поверхню виробу.
Електрохімічний маркування відбувається під впливом електричного струму
низької напруги за рахунок протікання електрохімічних реакцій в середовищі
електроліту, при яких зображення переноситься з трафарету на струмопровідну
поверхню виробу, що маркується. В результаті такої [8] електрохімічної взаємодії
13
[8, 17] змінюється або колір поверхні виробу, або виникає рельєф поверхні на
глибині від 2-6 мкм до 0,2 мм при травленні виробів з м'яких металів.
Краплеструйне маркування полягає в нанесенні на товар умовних позначень
або штрих-кодів за допомогою чорнил, які не стираються. Маркування
здійснюється безконтактним способом, при якому продукт пересувається по
конвеєрній стрічці, при цьому його поверхня не піддається прямому контакту [18].
Лазерне маркування здійснюється за рахунок модифікації поверхні
маркованого матеріалу під впливом лазерного випромінювання [8]. Зміна його
оптичних [1], хімічних або геометричних властивостей обумовлено локальним
розігрівом, плавленням і частковим випаровуванням матеріалу безпосередньо
маркованої ділянки виробу. Цим обумовлена висока ступінь роздільної здатності
лазерного маркування при мінімальному термомеханічному впливі на маркований
виріб.
Описані в [8] методи мають свої переваги і недоліки. Можна виділити основні
характеристики, необхідні для якісної оцінки і порівняння застосування
перерахованих методів в рамках промислового виробництва.
Стійкість нанесення є однією з основних характеристик, яка повинна
забезпечуватися при маркуванні продукції.
Така характеристика як відстежуваність, поряд зі стійкістю нанесення,
повинна бути забезпечена можливістю легкого доступу до замаркированної
області. Відстеження визначає ступінь розпізнаваності нанесеної інформації, що є
важливим фактором при автоматизації виробництва для контролю технологічних
процесів та обліку деталей.
Швидкість нанесення важлива для крупних виробників при великих об'ємах
продукції, що випускається. Процедура автоматизованого маркування виробів не
повинна значно збільшувати час повного циклу випуску виробів для запобігання
зниження продуктивності.
Вартість маркування визначається витратами на її впровадження на
підприємстві, які не повинні бути значними для запобігання істотного зростання
14
собівартості продукції [5] і, як наслідок, зниження [8] конкурентоспроможності на
ринку.
Споживання витратних матеріалів на маркування виробів має на увазі появу
додаткових витрат для забезпечення процесу нанесення, що викликано потребою,
наприклад, в фарбі.
Пошкодження на поверхні після маркування неприпустимі на деяких
виробництвах, що вимагає використання тільки тих методів, які не викликають
часткову деформацію поверхні деталі.
Види маркованих поверхонь (круглі, плоскі або криволінійні) необхідно
враховувати в процесі маркування, так як поверхня виробу не завжди може бути
плоскою і рівною [19].
Якість нанесення обумовлює [5] легкість зчитування закодованої інформації, і
відіграє важливу роль в процесі розпізнавання коду виробу, що випускається.
Підтримка декількох кольорів нанесення дозволяє підвищити точність
розпізнавання (контрастність, зчитуваність), за рахунок підбору кольору для
конкретного виду виробу.
З розглянутих методів маркування для впровадження на машинобудівному
виробництві системи автоматичного відстеження деталей можуть бути використані
тільки методи, що володіють високою стійкістю, відстежуваністю і якістю
нанесення. Метод лазерного маркування в найбільшій мірі відповідає цим
критеріям. Методи електрохімічного і краплеструменевого маркування програють
в стійкості нанесених позначень, а метод ударно-точечного маркування не
забезпечує високу якість нанесення.
Методи краплеструменевого і лазерного маркування дозволяють
використовувати кілька кольорів для нанесення позначень, що підвищує ступінь
розпізнавання виробів. Дані порівняльного аналізу основних параметрів
розглянутих методів прямого маркування, виконаного в [1, 16], наведені в таблиці
1.1.
Таблиця 1.1 – Порівняльний аналіз параметрів методів прямого маркування
деталей
15
Методи Ударно- Електрохімічне Краплеструйне Лазерне
Параметри точкове маркування маркування маркування
порівняння гравіювання
Технологічність задов. низька задов. висока
Збереженість висока висока низька висока
Собівартість низька низька низька задов.
Автоматизація задов. низька задов. висока
зчитування
Трудомісткість задов. висока низька висока
підробки
Для економічності виробництва найбільш важливі висока швидкість
нанесення, низька вартість впровадження і споживання витратних матеріалів.
Перевагами методу лазерного маркування є висока швидкість і відсутність
витратних матеріалів, однак за вартістю впровадження він програє іншим методам.
Серед недорогих виділяються методи краплеструменевого і ударно-точкового
маркування. Перевагою методу краплеструменевого маркування є висока
швидкість нанесення маркування, а підвищене споживання витратних матеріалів є
його недоліком в порівнянні з іншими методами. Перевагою методу ударно-
точкового маркування є відсутність витратних матеріалів, а його основним
недоліком - низька швидкість нанесення маркування.
Пристосованість методів маркування до нанесення на різні типи промислових
виробів оцінюється характеристиками «види маркованих поверхонь» і «безпека
маркування для поверхні деталі». Ці показники суттєво нижче у методу ударно-
точкового гравіювання, інші методи відповідають стандартам [12-16, 20].
Серед методів маркування та ідентифікації металевих матеріалів є певні
розробки у вітчизняних і зарубіжних дослідників.
Однак до цих пір досить широкого застосування штрихове кодування, що
наноситься безпосередньо на поверхню самої продукції за допомогою
маркувальних лазерів, не отримало. Це пов'язано з тим, що, незважаючи на те, що
16
існуючі маркувальні лазери поставляються разом з доданими до них пакетами
комп'ютерних програм, принципово дозволяють наносити на поверхні різних
матеріалів (метали і їх сплави, полімери, скло, кераміка) растрові і векторні
зображення і навіть стандартні штрих-коди, не існує відпрацьованих і науково-
обгрунтованих технологічних режимів маркування промислових виробів, що
забезпечують належну якість і продуктивність процесу маркування в умовах
масового виробництва.
Нанесення штрих-кодів, в тому числі і двомірних високоплотних штрих кодів,
прямо на вироби дозволяє не тільки захищати їх від підробки, а й розміщувати на
самому виробі потрібну інформацію з характеристикою умов його виготовлення,
зберігання і експлуатації. Такий спосіб маркування практично не деформує
поверхню виробу і забезпечує збереження маркування протягом всього терміну
служби, в тому числі і при впливі корозійних середовищ і підвищених температур.
Різновидом маркування унікальних виробів є технологія нанесення
прецизійним імпульсним лазером двомірних високоплотних штрих-кодів [2] на
поверхню металевого об'єкта (особливо малих розмірів) із зашифрованою бітовою
інформацією про виріб (інформаційного поля з великим об'ємом інформації - до 4
аркушів тексту формату А4 на невеликій площі (1-4 см2). Такий спосіб маркування
дозволяє забезпечити абсолютний захист унікальної дорогої продукції від підробок
і одночасно дозволяє на самому виробі зберігати великий обсяг закодованої
технічної, технологічної та іншої інформації, необхідної для паспортизації, а також
проведення експертизи у випадках аварійного руйнування виробів. З метою
забезпечення достовірності, надійності і стабільності передачі такої зашифрованої
інформації на поверхню виробу необхідно спеціальне програмне забезпечення [27],
яка керує імпульсним лазером при формуванні інформаційного поля на поверхні з
різних матеріалів (метал, скло, кераміка). Для подальшої якісної ідентифікації
закодованої інформації необхідні також спеціальні пакети програмного
забезпечення [11] для її декодування, а також зчитувальні пристрої з оригінальною
електронно-оптичною системою розпізнавання зашифрованої інформації, що
забезпечує програмно-апаратну роздільну здатність в 5-10 разів вище, ніж у
17
серійних сканерів для зчитування стандартних штрих-кодів. Обладнання
(прецизійний імпульсний лазер, оригінальний сканер) і спеціалізоване програмне
забезпечення для нанесення і зчитування таких кодів за вартістю може на порядок
перевищувати вартість комплекту маркувального лазерного комплексу для
стандартних штрих-кодів. Для маркування серійних промислових виробів такий
спосіб не є економічно виправданим.
Також в літературі є дані по нанесенню на поверхні виробів так званого
«прихованого» маркування з метою захисту авторських прав, коли мітки
наносяться на поверхню деталі за допомогою лазерного випромінювання [28, 108].
Воно зазвичай непомітне на поверхні і / або наноситься на певні ділянки деталі,
відомі тільки виробнику. При такій обробці поверхня модифікується, при цьому
може відбуватися зміна структури матеріалу, хімічного складу і т.д., але для
неозброєного ока може бути цілком непомітною. Даний тип маркування носить
виключно функцію захисту виробу від підробок і не буде зручна для
автоматизованого обліку та ідентифікації деталей масового виробництва.
Тому раціональним вирішенням проблеми обліку, ідентифікації і в умовах
серійного виробництва є розробка технології нанесення лазерного маркування
стандартних штрих-кодів, двовимірних (матричних) кодів і кольорових логотипів
на вироби з металевих і полімерних матеріалів, найбільш широко
використовуваних для виробництва деталей машин і агрегатів.
1.2 Аналіз застосування лазерів для отримання кольорових зображень та
інформаційних полів на матеріалах
Лазерне маркування - це метод нанесення зображення на поверхню будь-якого
товару за допомогою сфокусованого лазерного променя. Часто під лазерним
маркуванням, розуміють саме зображення (напис, порядковий номер, логотип,
малюнок, внутрішній код підприємства, як, наприклад, буквено-цифрова
послідовність і т.д.). Лазерне маркування, виконане на професійному рівні, добре
читається і довговічне.
18
Лазерне гравіювання - це метод, являє собою нанесення зображення на будь-
який виріб сфокусованим лазерним променем. Але, на відміну від лазерного
маркування, зображення, отримане методом лазерного гравіювання, створює
певний рельєф на поверхні, в чому полягає основна відмінність лазерного
гравірування від лазерного маркування. Часто лазерним гравіюванням називається
саме зображення, отримане на виробі. Переважно, такими зображеннями є
логотипи, написи, будь-які орнамени або малюнки.
З точки зору технологічного процесу, лазерне маркування мало чим
відрізняється від лазерного гравіювання. Процес здійснюється за допомогою
лазерного променя, який передає енергію поверхні матеріалу і випалює на ній
необхідну інформацію. Різниця полягає в використанні різних режимів роботи
прецизійної лазерної установки і використовуваних потужностях при обробці
поверхні.
Серед лазерних джерел, використовуваних для обробки матеріалів, найбільш
широкого поширення набули високопотужні СО2 лазери. Такі лазери, потужність
яких досягає 20 кВт, на сьогоднішній день складають абсолютну більшість серед
установок, використовуваних для різання, зварювання і термообробки.
Газорозрядні СО2 - лазери відносяться до типу молекулярних лазерів [29], в
яких інверсна заселеність створюється між коливальними рівнями молекул [30].
СО2 - лазери мають найбільший ККД перетворення електричної енергії в енергію
випромінювання [29]. Експлуатація даного типу лазерів можлива при високих
потужностях, причому режим роботи може бути безперервний або імпульсний [31].
Такі технологічні можливості даного типу лазерів сприяли їх широкому
застосуванню для обробки матеріалів (таблиця 1.2) [32, 33].
Таблиця 1.2 - Параметри випромінювання при різних способах лазерної
обробки СО2-лазерів [31]
Одиниці Спосіб лазерної обробки
Праметр вимірюванн Термообробк Зварюванн Прошиванн
Різання
я а я я отворів
19
Інтенсивність
випромінюван
2 0,5×104- 2×105- 2×106
ня на поверхні Вт/см
5 б 7 107-108
2×10 2×10 -10
виробу
Тривалість
впливу 10-3- 10-5-10-
випромінюван с 10-2-1 10 -3-1
1 3
ня
Діапазон
середньої
0,5-
потужності кВт Більше 1 Більше 2 0,5-2,0
5,0
випромінюван
ня
Поляризація
Лінійна Кругова
випромінювання
Застосування такого типу лазерів в якості маркувальників дозволяє отримати
дуже акуратне, контрастне, стійке маркування. Це можуть бути буквено-цифровий
маркер, штрих-код, двовимірна матриця, символ, логотип. Але такий пристрій не
може використовуватися на необробленій металевій поверхні і може не давати
контрастного зображення на деяких видах пластику. Зазвичай такий лазер успішно
використовується для роботи з картоном, папером, деревом, пластиком, шкірою, а
також для нанесення інформації на поліамідні оболонки продуктів харчування та
інші матеріали.
Якщо ж необхідно нанести маркування на необроблену металеву поверхню, то
застосовуються твердотільні лазери. Стандартний твердотільний лазер має
оптоволоконне джерело світла, яке потрапляє в кристал, де генерується лазерний
промінь. Твердотільні лазери дають можливість працювати з різними матеріалами,
серед яких - тверді металеві сплави, кераміка, ПВХ, пластик, скло, дерево [34].
Доля твердотільних лазерів на світовому ринку становить близько 50%
(рисунок 1.1) [32]. Вони перевершують газові по технологічності, економічності,
масі і габаритним розмірам. Їх суттєвою технологічним перевагою є можливість
застосування для передачі випромінювання гнучкі світловоди.
20
Рисунок 1.1 - Розподіл світового ринку лазерів за типами, %від загального
обсягу продажу [32]
№ Тип лазера %
1 Відпаяні на СО2 5,95
2 Твердотільні з іонним накачуванням 11,89
3 Ексимерні 21,62
4 Прокачні на СО2 24,86
5 Твердотільні з ламповим накачуванням 35,68
У роботах [7, 39 - 41] досить докладно розглядаються існуючі типи сучасних
маркувальних твердотільних і волоконних лазерних комплексів, використовуваних
для маркування металевих матеріалів, порівнюються їх технологічні можливості і
технічні параметри (таблиця 1.3 [39]), представлені моделі лазерних установок, які
найбільш успішно себе зарекомендували для нанесення маркування на вироби за
допомогою лазерного випромінювання. У проаналізованих лазерних комплексах
використана однакова лазерна скануюча головка на базі гальванометричних
сканаторов і однаковий об'єктив плоского поля [7, 40]. Використання цієї
скануючої головки у всіх установках забезпечує переміщення променя в полі
100х100 мм з точністю (повторюваністю) контуру 2,5 мкм.
В роботі [39] було встановлено, що відбиток на металі після впливу
перерахованих вище лазерних комплексів при однакових значеннях потужності
має різну форму (рисунок 1.2), у вигляді круглої або овальної оплавленої ділянки
поверхні. Відбитки правильної геометричної форми були отримані на
твердотільному лазері Д'Марк-06 і двох оптоволоконних лазерах. Для цих лазерів
було встановлено взаємозв'язок середньої потужності випромінювання від їх
технологічних параметрів (рисунок 1.3) [39]. З наведених залежностей видно, що
потужність, що дорівнює 2 Вт, можна отримати як на твердотільному лазері
21
Д'Марк-06, так і на двох оптоволоконних лазерах, задавши на них відповідно 24%
і 35% потужності.
Таблиця 1.3 - Основні характеристики лазерних комплексів [39]
Назва Тип Система Довжина Номіналь Діапазон Тривалі Діаметр
лазерного лазера накачування хвилі на частоти сть променя
обладнанн лазерного випромін середня генерації імпульс в фокусі,
я випромінюва ювання, потужніс імпульсів, у, нс мкм
ча мкм ть, Вт кГц
Д'Марк- Nd:Y напівпровідн 1.06 6 0,1-100 40 80
06 AG икова
БетаМар лампова 1.06 16 1-20 1000 110
кер-2010
ДіоМарк напівпровідн 1.06 10 1-100 10 90
ер-Д10 икова
МініМар Yt напівпровідн 1.06 10 20-100 100 50
кер-М10 икова
МініМар напівпровідн 1.06 20 20-100 100 60
кер-М20 икова
Д'Марк-06 Д'Марк-06 ДіоМаркер-Д10 МініМаркер- МініМаркер-М20
М10
Рисунок 1.2 - Сліди від імпульсу (відбитки), нанесені різними лазерними
установками [72]
Для обробки мідних сплавів з високою теплопровідністю підходять установки
ДМарк-06 і ДіоМаркер (прямі 4 і 5 на рисунку 1.3). При обробці на інших типах
лазерних установок внаслідок недостатньої імпульсної потужності на поверхні
ніякого кольорового зображення на поверхні формуватися не буде. Таким чином,
лазерний комплекс ДМарк-06 є універсальним для обробки широкого спектру
металевих матеріалів.
22
Рисунок 1.3 - Питома потужність лазерних комплексів в залежності від їх
робочих режимів [39]
1.2.1 Фізичні основи лазерної обробки матеріала
Взаємодія падаючого потоку лазерного випромінювання з матеріалом
визначається трьома складовими - мірою відбитого, поглиненого і пройшовшого
випромінювання [6, 42-45, 107, 109]. Відбите і пройшовше випромінювання не
віддає енергію матеріалу, таким чином, маркування визначаться кількістю
поглиненої енергії. Поглинальна здатність залежить від довжини хвилі падаючого
випромінювання, яка також визначає потужність падаючого випромінювання.
Згідно з рисунком 1.4, зі зменшенням довжини хвилі збільшується енергія
лазерного випромінювання E = h*с/λ, де, h - постійна Планка, с - швидкість світла
у вакуумі, а λ - довжина хвилі [6, 45]. Чим менше стає довжина хвилі, тим сильніше
знижується відбивна здатність матеріалів, а це призводить, в свою чергу, до того,
що зі зменшенням довжини хвилі більша кількість енергії поглинається
оброблюваним матеріалом.
Поглинена матеріалом енергія витрачається або на вібраційне або електронне
збудження, або на здійснення фотохімічної реакції.
23
Рисунок 1.4 - Залежність енергії лазерного випромінювання від довжини
хвилі [6]
При вібраційному збудженні поглинена енергія фотона викликає молекулярні
коливання в матеріалі, включаючи розтягування, вигини або зміщення зв'язків між
атомами. При поворотах молекулярні коливання змушують атоми тертися один об
одного, що призводить до збільшення температури і передачі коливань до
суміжних атомів.
Якщо падаючий фотон має досить високу енергію, він може викликати
електронне збудження. Після поглинання збуджений електрон може витратити
отриману енергію різними способами - на емісію фотона або на вібраційне
збудження. Емісія фотона не змінюватиме матеріал або його властивості, але
вібраційне збудження, внаслідок виділення тепла, може змінити матеріал [42, 45].
Фотохімічна реакція відбувається, якщо поглинена енергія фотона викликає
хімічну реакцію. Прикладом фотохімічного поглинання є відновлення діоксиду
титану TiO2. Діоксид титану, колір якого білий, зазвичай додається до пластмас як
пігмент. UV фотон може зруйнувати хімічні зв'язки і видалити частину кисню за
рахунок реакції відновлення. Маркована область пластмаси стає чорною -
утворюється чітко помітний контраст. З усіх процесів для фотохімічних реакцій
потрібно найбільша кількість енергії фотона [6].
24
1.2.2 Процеси на поверхні матеріалів при впливі лазерного
випромінювання в процесі нанесення маркування
Вплив від лазерного випромінювання на поверхню оброблюваного матеріалу
в процесі маркування можна умовно розділити на кілька типів, характерні схеми
яких представлені на рисунку 1.5.
Для створення поверхневого контрасту використовуються високі швидкості
сканування променя по поверхні і / або коротка тривалість імпульсів. Зміна кольору
відбувається безпосередньо на поверхні матеріалу, що поглинає світло. В
результаті створюється видимий контраст з необробленою поверхнею матеріалу.
Цей контраст називають фотохімічним ефектом. Найчастіше цим способом
маркуються етикетки товарів. Для цього застосовується термопапір, який змінює
колір під дією променя. Аналогічним чином працюють деякі факсимільні апарати
[34].
Рисунок 1.5 - Типи модифікування матеріалу при обробці поверхні лазером [6]
Переваги цього типу паперового маркування:
- необхідна низька потужність для отримання малюнка;
- обладнання, що працює за цією технологією, компактне;
- продуктивність методу дуже висока (швидкість сканування променя досягає
1500 мм/сек);
- можливо отримувати високу роздільну здатність;
- обробка проводиться безконтактно.
25
Основні недоліки такого типу маркування:
- необхідно застосовувати спеціальні матеріали;
- втрата якості зображення внаслідок впливу сонячного світла і температур.
Оплавлення поверхні є більш повільним процесом, в результаті якого
матеріал нагрівається до температури плавлення. Потім видиме маркування
забезпечується за рахунок хімічного розпаду, ефектів окислення поверхні або зміни
її морфології. Оплавлення поверхні практично не використовується для
маркування металевих виробів через низький контраст. Зате для отримання білого
маркування на темних пластмасових поверхнях використовують спінення
пластмаси, обробленої лазерним променем. При оплавленні пластмаси від впливу
лазерного променя утворюються газові бульбашки через згоряння вуглецю і
виділенням CO2 в процесі обробки, або ж від впливу високих температур можливе
теплове розкладання пластмаси. Основним недоліком такого маркування є його
низька зносостійкість.
Гравіювання поверхні є самим повільним процесом маркування, так як
матеріал при цьому випаровується. Маркувальні символи стають добре видимими,
оскільки в цьому випадку падаючому світловому променю перешкоджає значна
глибина канавки, в порівнянні з немаркованим матеріалом. Така технологія
маркування отримала широке застосування у всіх областях виробництва.
Наприклад, в мікроелектроніці для виробництва кремнієвих пластин вона
застосовується для нанесення міток на заготовки, вироби і оснастку на всіх стадіях
розробки і виробництва.
Значний вплив на процес маркування справляє потужність випромінювання
[34]. При повільному нагріванні безперервним лазером найбільш важливий відвід
тепла вглиб матеріалу. Якщо зразок має плоску формою, то важливу роль в
отриманні зображення грає його товщина.
Етапи взаємодії лазерного випромінювання з речовиною в міру збільшення
питомої енергії випромінювання показані на рисунку 1.6.
26
Рисунок 1.6 - Етапи взаємодії лазерного випромінювання з речовиною [6]:
1 - зразок, 2 - лазерне випромінювання, 3 - зона активного тепловідведення
всередині матеріалу, 4 - зона відводу енергії в зовнішнє середовище, 5 - зона
локального розплавлення матеріалу, 6 - хмара плазми, 7 - бризки розплавленого
матеріалу зразка, 8 - зона локально випаруваного металу, 9 - тріщини, отримані в
результаті локальних мікровибухів.
1.2.3 Нанесення маркування на металічні матеріали лазером
При нанесенні маркувальних символів на поверхні металевих матеріалів за
допомогою обробки лазером можна виділити три основні процеси, що
характеризують взаємодію лазерного променя і оброблюваної речовини:
плавлення, інтенсивне випаровування і утворення плазми, відповідно до рисунку
1.7.
27
Рисунок 1.7 - Процеси, що відбуваються при взаємодії лазерного
випромінювання з речовиною
Оплавлення металевої поверхні починається в момент, коли потужність
лазерного променя досягає значень порядку 105 Вт/см2 [6, 36, 37, 44]. Межа
поверхні розплаву, який розділяє рідку і тверду фази, поступово поглиблюється в
матеріал з наростанням енергії світлового потоку. У міру зростання площі
поверхні, займаної розплавом, починається більш інтенсивне відведення теплоти в
глибші шари матеріалу внаслідок теплообмінних процесів (теплопровідності).
Результатом процесів, що протікають встановлюється стаціонарна поверхня
розплаву.
Інтенсивне випаровування (кипіння) матеріалу відбуватиметься нарівні з
плавленням. Процес супроводжується підвищенням потужності світлового потоку
до 106-107 Вт/см2 [36, 37, 44]. Частина речовини при цьому переходить в
пароподібний стан, на випареній ділянці поверхні утворюється так звана
гравірувальна канавка. Якщо в складі оброблюваного металевого сплаву міститься
певна кількість вуглецю, то процес гравіювання додатково супроводжується
карбонізацією, підвищені температури процесу сприяють утворенню оксидів, які
також можуть впливати на колір маркування [7, 8].
При маркуванні інших матеріалів (скло, кераміка, неметали, тверді сплави і
ін.) використовують в основному ті ж типи взаємодії, причому для прозорих
матеріалів вони доповнюються ефектом зміни оптичних властивостей.
28
1.2.4 Лазерне маркування пластмас
При лазерному маркуванні полімерних матеріалів зображення формується
завдяки змінам кольору і/або структури поверхні. Тут виділяють чотири основні
типи взаємодії лазерного випромінювання з речовиною відповідно до рисунку 1.8
[46]: спінення, гравіювання, гравіювання зі зміною кольору поверхні, зміна
кольору поверхні.
Спінення. При низькій інтенсивності лазерного випромінювання зміна
кольору і фактури поверхні викликано зміною структури матеріалу за рахунок
нагріву і утворення в матеріалі завмерлих бульбашок газу. Цей ефект подібний
випадку, коли зігнутий багато разів гнучкий пластик в місцях перегину стає
світлішим.
Рисунок 1.8 - Основні типи взаємодії лазерного випромінювання з
пластмасами
Підвищення інтенсивності випромінювання в процесі гравіювання збільшує
температуру пластика вище точки плавлення, в результаті чого матеріал починає
плавитися і випаровуватися, а структура поверхні набуває вигляду гравірувальної
канавки [3].
Для зміни кольору пластиків використовують спеціалізовані добавки та
барвники [46]. Якими можуть бути пігменти і барвники. Такі добавки збільшують
поглинання енергії лазера, що дозволяє отримувати більш контрастні зміни
29
кольору. Енергія лазера при цьому використовується для нагріву одного з
барвників в фарбувальний суміші для того, щоб викликати зміну кольору
маркованої поверхні. Прикладом є змішування вуглецевої сажі зі стабільним
неорганічним барвником. При нагріванні вуглецева сажа видаляється, а
неорганічний барвник залишається. Такі змішані системи фарбування залежать від
специфічних параметрів стабільності барвників, і тут можлива тільки така зміна
кольру, яка задається властивостями використовуваних барвників [46, 47, 48].
1.3 Різновиди штрих-кодових символік і аналіз застосування різних
зчитуючих оптико-електронних приладів (сканерів) для ідентифікації
інформації штрих-коду
1.3.1 Види кодувальних символік
Штриховий код - знак, призначений для автоматизованих процесів
ідентифікації і обліку інформації про товар, закодованої у вигляді цифр і штрихів
[49]. Існують різні способи кодування інформації, названі штрих-кодовими
кодуваннями або символіками. Формування штрих-кодів відбувається за
допомогою спеціальних «мов», які і прийнято називати символіками. Кожна
символіка використовує свою комбінацію ширини штрихів і пробілів для
кодування символів даних. Розрізняють лінійні і двомірні символіки штрих-коду, з
якими можуть працювати сучасні сканери [50]. Ці два види символік розрізняються
за способом кодування.
Лінійним називається штрих-код, читабельний в одному напрямку. В даний
час відомі такі лінійні символіки, як EAN, UPC, Code39, Code128, Codabar,
Interleaved 2 of 5 (рисунок 1.9). Лінійні символіки за допомогою нескладного
штрих-коду, що зчитується стандартним сканером, здатні вмістити досить
невеликий об'єм інформації, як правило, це не більше 20-30 символів, найчастіше
представляє собою набір цифр.
Interleaved
EAN UPC Code128 Code39 Codabar
2 of 5 (ITF)
30
Рисунок 1.9 - Найбільш поширені лінійні штрих-коди
Загальний вигляд штрихового коду являє собою смуги різної ширини, які
чергуються, штрихи мають темний колір, пробіли між ними світлі. Одиницею
ширини штриха є модуль шириною 0,33 мм, це найвужчий штрих або пробіл в
даному кодуванні. Кожна цифра закодована 7 модулями, які сформовані в групи по
2 штриха і 2 пробіли. Ширина штрихів і пробілів зазвичай може становити від 1 до
3 модулів. Носіями інформації такого коду є ширина штрихів, пробілів і їх
поєднання. Похибка при формуванні зображень маркувальних символів не повинна
перевищувати 0,101 мм [51]. Всі вимоги до розмірів символік регламентовані
державним стандартом [52].
Найбільш поширеними з одновимірних (лінійних) вважаються EAN13і UCC /
EAN-128 (рисунок 1.10, а, б), а з двовимірних -PDF417 (рис.1.10, б, в).
а б в
Рисунок 1.10 - Основні типи штрих-кодів, які використовуються для
маркування продукції: лінійний EAN-13 (а), лінійний UCC / EAN-128 (б) і
матричний PDF-417 (в)
Спочатку була розроблена американська система Universal Product Code
(Рисунок 1.11).
Оригінальний UPC код складається з 12 цифр, з них 11 корисних, які
дозволяють закодувати 1.000.000.000.000 товарів. Так як американські розробники
і виробники не захотіли ділитися своїм винаходом, інші країни використовують
відмінні типи кодувань.
31
Рисунок 1.11 - Лінійна символіка UPC
Прототипом американського стандарту UPC є європейський стандарт
штрихових кодів EAN. Європейська асоціація EAN взяла на себе роботи по
стандартизації кодів типу EAN і їх реєстрації, що, власне кажучи, і стало
продовженням розвитку стандартів, розроблених організаціями UCC в США і
ECCC в Канаді. У 2005 році відбулося об'єднання всіх цих структур і був
розроблений єдиний стандарт, який тепер є універсальним для всіх країн. Код EAN-
13 (повний) є найпоширенішим, в ньому кодуються 13 цифр, без букв або символів,
його розміри: 25,93/37,29 мм [53].
Двовимірні (матричні) символіки (2D), зазвичай містять два або більше рядків
або штрихових кодовових знаків, розташованих суміжно по вертикалі (рисунок
1.12). Такі закодовані символи з'явилися відносно недавно і мають можливість
закодувати в символьне зображення набагато більшу кількість даних (до декількох
сторінок тексту) на тій же самій ділянці площі, яку б довелося виділити на ділянці
поверхні для розміщення однорозмірного штрих-коду.
Рисунок 1.12 - Двовимірний код DataMatrix
Штрих-коди цього типу значно збільшують продуктивність роботи, якщо в
базу потрібно занести велику кількість інформації. Одним з типів двовимірних
символік є також матричний код, який являє собою не просту серію штрихів, а цілу
картинку [3].
32
1.3.2 Огляд сканерів для зчитування та ідентифікації закодованої
інформації штрих-коду
Інформацію, занесену в штрих-код, не перевіряють шляхом розрахунків. В
силу тенденцій автоматизації процесів, спеціалізоване обладнання і програмне
забезпечення, що застосовується для обліку і контролю одиниць продукції, виявляє
будь-який штрих-код у один клік.
Існує кілька класів пристроїв для зчитування і розпізнавання інформації,
закодованої в штриховому коді [54, 55]:
- сканер для простого зчитування штрих-кодів з поверхні матеріалу;
- термінал для збору даних, що накопичує і обробляє отримані дані. Такий
термінал представляє собою багатофункціональний сканер штрих-коду, він також
забезпечений внутрішньою пам'яттю і процесором;
- щілинний зчитувач штрих-коду. Він призначений для сканування штрих-
кодів з пластикових карт. Для того, щоб розпізнати закодовану інформацію, яку
містить штрих-код, необхідно провести карткою уздовж щілинного отвору
пристрою;
За принципом дії сканери можна розділити на наступні типи [56, 57]:
- ПЗС контактні сканери розпізнають інформацію з відстані не більше 3 см,
відмінною рисою сканерів цієї групи є те, що для роботи з ними необхідно впритул
піднести сканер до штрихового коду.
- світлодіодні (CCD, або контактні через невелику відстань зчитування), де в
якості джерела випромінювання використовують світлодіоди. У даних моделей
підвищена стійкість до ударів, але при цьому у більшості цих пристроїв невелика
відстань зчитування. Така особливість цього типу пристроїв вимагає досить
високої якості нанесення зображення штрих коду на поверхні. Крім того, вони не
можуть розпізнавати маркувальні символи, нанесені на нерівних поверхнях
(наприклад, циліндричних).
- лазерні сканери, в яких в якості джерела випромінювання використаний
лазер, що володіє зовсім невеликою потужністю. На даний момент цей спосіб
сканування - один з найбільш продуктивних і зручних для зчитування
33
зашифрованої інформації і ідентифікації штрихових кодів. Перевагами лазерного
сканера є: більш висока (якщо порівнювати зі світлодіодними сканерами)
швидкість і точність сканування; надійність (здатність розпізнати навіть
пошкоджений або дуже маленький код); універсальні (можуть розпізнавати коди,
які нанесені на пластик, скло або на закруглені поверхні); можливість зчитування
інформації на значній відстані; значна свобода оператора при роботі (наприклад,
проекційні сканери зчитують код з поверхні, що знаходиться під кутом до робочої
поверхні пристрою) [55].
- ПЗС безконтактні сканери, що зчитують коди в основному з відстані від 1 до
20 см. Працюють практично так само, як і лазерні сканери, але на трохи менших
відстанях і з кращою роздільною здатністю читання. Дані сканери мають більшу
кількість читань в секунду, що дозволяє їм розпізнавати коди поганої якості, а
також коди з забруднених і пом'ятих етикеток. Моделі не мають рухомих частин, а
тому більш стійкі до ударів і довше служать.
- Image-сканери, що дозволяють розпізнавати як одномірні, так і двовимірні (в
тому числі матричні коди) символіки. Одновимірний штрих-код може бути
зчитаний в будь-якому положенні, при використанні такого сканера абсолютно
немає необхідності орієнтувати скануючий промінь строго перпендикулярно
нанесеним штрихами. Такі пристрої сканують штрих-коди швидше, ніж
вищеописані моделі лазерних сканерів, а також розпізнають погано нанесені,
дрібні, а також пошкоджені етикетки. Ще одна відмінна риса даного типу сканерів
- вони більш стійкі до механічних пошкоджень в силу особливості їх конструкції з
відсутністю рухомих частин.
- Радіосканери застосовуються там, де необхідно здійснювати введення
інформації на деякій відстані від комп'ютера. За способом зчитування бувають
лазерні і ПЗС безконтактні. Радіус їх дії - близько 50 м від радіобази, до якої можна
підключати відразу декілька сканерів.
- Сканер з пам'яттю є окремою групою сканерів, які вирішують
вузькоспрямовану задачу. Зазвичай їх застосовують там, де з метою здешевлення
обладнання можна обійтися без застосування терміналів.
34
Існують складні моделі сканерів, які поєднують в собі різні способи
зчитування.
1.4 Особливості окислення металевих матеріалів при лазерному впливі
З окисленням матеріалів, ініційованих лазерним випромінюванням, пов'язано
безліч технологічних застосувань лазерів [7, 8, 31, 43, 58, 110]. Утворення оксидних
з'єднань на металевій поверхні являє собою процес, що складається з декількох
стадій, швидкості хімічних реакцій, що відбуваються протягом процесу,
обмежується швидкістю перенесення кисню в поверхневому шарі.
На металевій поверхні, яка знаходиться в зіткненні з хімічно активним газом,
а в процесі маркування при звичайних умовах, це гази повітря, і в першу чергу,
кисень, при опроміненні висококонцентрованими джерелами випромінювання є
можливість для утворення продуктів реакцій в кількостях, цілком достатніх, для
того, щоб істотно змінити картину взаємодії випромінювання з мішенню. Існує
широке коло завдань, в яких поверхневі хімічні перетворення не пов'язані з
монохроматичністю випромінювання, тобто мають нерезонансний характер і
обумовлені лазерним нагрівом мішені.
Характерним прикладом такого механізму взаємодії, що отримав назву
«термохімічного», є нагрів металу, який окислюється [7, 8, 59].
Лазерне випромінювання при впливі на поверхню оброблюваного матеріалу,
частково відбивається від неї, частково проникає на незначну глибину. Енергія цих
променів практично повністю поглинається електронами в приповерхневому шарі
металу товщиною 10-6-10-7 м. Це призводить до підвищення температури
електронів, в той час як зміни температури іонів кристалічної решітки зберігаються
незначними [62].
Величина ступеня впливу на оброблювану поверхню матеріалів при лазерному
випромінюванні формують такі параметри лазерного випромінювання, як:
щільність енергії, довжина хвилі і тривалість імпульсу лазерного променя.
Важливо враховувати, що товщина поверхневого шару матеріалу, що піддається
впливу лазерного випромінювання, обернено пропорційна до коефіцієнта
поглинання речовини, що опромінюється [27, 46].
35
Виходячи з умов незначного термічного впливу на поверхню оброблюваного
металевого матеріалу, в процесі окислення відбувається наростання оксидної
плівки без абляції (рисунок 1.13), тому краще використовувати лазери з короткою
довжиною хвилі і наносекундною тривалістю імпульсу [46].
Формування різних структур в області впливу лазерного променя буде
залежати від розподілу температурних полів і градієнті швидкостей охолодження
по глибині зони термічного впливу. Структурні перетворення, що протікають при
взаємодії лазерного променя з поверхнею матеріалу, в основному визначаються не
максимальною температурою, а термічним циклом, що складається з процесів
нагрівання, витримки при певній температурі і охолодження [59].
Рисунок 1.13 - Окислений зразок з нержавіючої сталі
Зміна температури матеріалу може бути здійснене в широких межах за
рахунок варіації параметрів режимів лазерної обробки. Можна виділити основні
технологічні параметри обробки імпульсним лазерним випромінюванням за
ступенем впливу на величину зміни температур і розподіл температур по поверхні
оброблюваного матеріалу і розташувати їх в наступній послідовності: потужність
лазерного випромінювання, швидкість переміщення променя лазера, просторовий
розподіл щільності потужності випромінювання на поверхні оброблюваного
матеріалу.
Металографічні дослідження шліфів, виготовлених в поперечному перерізі
зони лазерного проникнення в хромонікельмолібденовій сталі 40ХНМА, (рисунок
36
1.14) показали, що при обробці без оплавлення поверхні область термічного впливу
складається з декількох шарів, мікротвердість кожного відрізняється від вихідного.
Формування таких структур металевих матеріалів в зоні лазерного впливу
пояснюється особливим характером розподілу температурних полів і відмінністю
в швидкості охолодження по глибині області термічного впливу [59, 63].
Крім особливостей формування різних структур в підложці, необхідно
відзначити наявність термічних напружень, що виникають під впливом лазерного
випромінювання. Напруги, викликані змінами температур, є неминучим наслідком
лазерного нагріву [62].
Рисунок 1.14 - Структура хромонікельмолібденової сталі 40ХНМА в області
лазерного впливу після термозміцнення (×300: 1 – загартована зерниста
структура; 2 - область неповного гарту; 3 - перехідна зона; 4 - вихідна структура)
Необхідно відзначити, що на обробленій поверхні можливе утворення тріщин,
поява яких залежить від великої кількості факторів: від матеріалів плівки і
підложки, від якості обробки і очищення подложки, від товщини плівки, від
щільності світлового потоку і числа імпульсів опромінення на одиницю поверхні.
Однак вплив товщини оксидів на розтріскування і відшаровування має
неоднозначний вплив, тому що плівка може складатися з одного або декількох
шарів з різними властивостями, що впливають на міцність зчеплення з підложкою
[64, 65].
1.5 Способи передачі зображення за допомогою лазерних комплексів
При перетворенні графічних об'єктів і підготовці зображення до виведення на
лазерні комплекси виникають два основних питання.
37
Перший пов'язаний з відтворюваністю кольору. Для отримання зображення на
поверхні матеріалів необхідно провести ряд експериментів, які дозволяють вивести
колірну палітру для кожного матеріалу. Тому, перш за все, необхідно виявити
стійко-виведені кольори, які не будуть змінюватися. Якщо говорити про лазер, то
він моделює безперервні образи кольору за допомогою точок, що змінюються або
в розмірі, або в інтервалах між собою. Таким чином, якщо титан, наприклад,
відтворює тільки сині і коричневі кольори, то досить широкої кольорової палітри
ми можемо домогтися за рахунок розрідження імпульсних рядків (ліній) або,
навпаки, їх зближення. Завдяки цьому можна добитися золотистих, жовтих,
блакитних, ультрамаринових і інших відтінків, від темних до світлих тонів.
Друге питання, яке виникає, - це питання співвідношення роздільної здатності
комп'ютера і роздільної здатності лазера, так як за своєю суттю ці поняття
нерівнозначні. Зображення в комп'ютері являєсобою мозаїку найдрібніших
елементів квадратної форми, званих пікселями. Найдрібніших елементом
зображення при лазерній обробці є точка (відбиток променя лазера на поверхні
металу). В ідеалі кількість пікселів на дюйм в зображенні в комп'ютері має
збігатися з кількістю точок на дюйм при лазерній обробці.
Комп'ютерне зображення є комбінацією пікселів різноманітних кольорів.
Якість комп'ютерного зображення визначається роздільною здатністю це dpi = dots
per inch - кількість точок на дюйм (тобто кількістю пікселів, що вміщується в 1
дюймі). Чим вище dpi, з яким працює пристрій виведення, тим якісніше одержуване
на ньому зображення. У таблиці 1.4 наведені значення розміру пікселя d (мкм) при
різних роздільних здатностях зображення (dpi).
Таблиця 1.4 - Розміри пікселя в залежності від роздільної здатності
зображення [3]
dpi 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200
мкм 254 127 85 64 51 42 36 32 28 25 23 21
Параметр dpi однозначно характеризує якість вивідного пристрою. Чим вище
dpi, з яким здатний працювати вивідний пристрій, тим якісніше буде виведене на
цьому пристрої зображення [3]. Якщо спочатку РЗ зображення буде невисокою, то
38
кінцевий результат вийде поганої якості (рисунок 1.15). Очевидно, що після
лазерного гравіювання границі ліній вийшли нечіткими, ступінчастими.
Рисунок 1.15 - Приклад зображення з низькою роздільною здатністю, (dpi =
72)
Лазерний комплекс сприймає як растровий, так і векторний режим. Растрове
зображення - це зображення, що складається з точок - пікселів, що володіє
характеристиками колірної моделі (Grayscale, CMYK, RGB), колірної гами (різні
кольори), роздільною здатністю (кількість точок на одиницю площі) (рисунок 1.16).
Лазер сприймає растрову графіку як чорно-білу картинку з півтонами (градації
сірого кольору). Навіть кольорову картинку він перетворює в зручний для себе
формат. При гравіруванні чорні точки зображення гравіруються на повній
потужності, білі не гравіруються, а інтенсивність забарвлення сірих - пропорційна
потужності випромінювання. Растровий режим маркування дозволяє порядково
заповнювати область, яка маркується [3, 67].
Векторне зображення - зображення, що складається з так званих графічних
примітивів (точок, ліній, кривих, дуг і т.д.). Це файли, підготовлені в основному
для різання різних матеріалів. В цьому випадку при обробці промінь лазерного
комплексу переміщається уздовж ліній. Векторний режим виводить контур
маркованої області.
39
Рисунок 1.16 - Способи формування зображень
У растровому режимі маркування маркується область (зображення) порядково
заповнюється точками - пікселями. Растрова графіка передається лазерному
пристрою в тонах сірого кольору, кольорова картинка перетворюється в чорно-білу
з півтонами. Чорні точки зображення гравіруються на повній потужності, білі НЕ
гравіруються, а сірі - з тим більшою потужністю, чим темніше крапка. Растровий
режим маркування кольорових логотипів підприємства може використовуватися
для металевих виробів, при цьому кількість кольорів має бути мінімально
необхідним для його повнокольорового сприйняття. Для гравіювання силуетних
зображень логотипів можна використовувати растровий чорно-білий режим без
нашарувань одного кольору на інший як для металевих, так і полімерних матеріалів
[3].
Висновок до розділу 1
Проведений аналіз літературних джерел показав, що в розділі отримання
кольорових зображень з використанням лазерів є розробки і рекомендації по
маркуванню, наводяться можливості отримання кольорових структур на металевих
матеріалах за допомогою лазерного впливу. Однак отримані результати не
дозволяють вважати, що на сьогоднішній день є стабільна технологія отримання
кольорового зображення на металевих об'єктах. Отримана в розглянутих роботах
палітра кольорів досить обмежена (до 50 відтінків), а відтворення зображення
40
нестабільно і не гарантує отримання контрастних маркувальних символів, яких
можна використовувати для нанесення закодованої інформації.
Таким чином, з наведеного вище аналізу можна зробити наступні висновки:
1. Найбільш сучасним способом обробки інформації з метою автоматизованого
контролю і обліку є штрихове кодування.
2. Не існує науково-обґрунтованої промислової технології безпосереднього
нанесення штрихових кодів безпосередньо на поверхні деталей з метою їх
автоматизованого обліку і ідентифікації в процесі серійного виробництва і
подальшої експлуатації.
Згідно вище викладеного, результат лазерного маркування (якість зображення,
нанесеного лазером) в цілому залежить від двох чинників. Перший фактор - сам
матеріал (його хімічний склад, використовувані покриття, добавки, фактура
поверхні і т.д.). Другий, не менш важливий фактор - характеристики лазера і
використовувані технологічні режими роботи устаткування (довжина хвилі і
інтенсивність лазерного випромінювання, частота повторення імпульсів,
швидкість маркування і ін.). Таким чином, шляхом підбору технологічних
параметрів лазерної установки, що визначають режими маркувального процесу,
можна забезпечити високий рівень якості зображення на широкому діапазоні
матеріалів.
41
Розділ2 Обладнання та проведення досліджень
2.1 Хімічний склад і властивості досліджуваних матеріалів
На основі проведеної оцінки для досліджень обрано такі металеві матеріали з
ряду найбільш широко поширених для виробництва деталей машин і агрегатів:
корозійностійкі сталі (3 різні марки), технічний титан, мідний сплав, алюмінієвий
сплав і цирконій. Матеріали для експериментів використовувалися після прокату.
У таблицях 2.1 - 2.5 наведені марки і хімічний склад сталей і сплавів, обраних
для проведення експериментальних досліджень, а в таблиці 2.6 - фізичні
властивості наведених марок сплавів досліджуваних матеріалів.
Таблиця 2.1 - Хімічний склад сталей для дослідження, ГОСТ 5632-72 [78]
Марка Масова частка елементів, %
сталі не більше Fe
Cr Ni Ti
С Si Cu Mn P S
08Х18Н10Т 17,0-19,0 9,0-11,0 (5 С - 0.7) *Ti 0,08 0,80 0,30 2,00 0,035 0,020 основа
12Х17 16,0-18,0 0,60 - 0,12 0,80 0,30 0,80 0,035 0,025 основа
08Х13 12,0-14,0 0,60 - 0,08 0,80 - 0,80 0,030 0,025 основа
Таблиця 2.2 - Хімічний склад титанового сплаву, ГОСТ 19807 - 91 [79]
Марка Масова частка елементів, %
Fe C Si N Ti O H Домішки
ВТ1-0 до 0.25 до 0.07 до 0.1 до 0.04 99.24 - 99.7 до 0.2 до 0.01 інших 0.3
Таблиця 2.3 - Хімічний склад латуні, ГОСТ 15527 - 2004 [80]
Марка Масова частка елементів, %
Fe P Cu Pb Zn Sb Bi Домішок
Л63 до 0.2 до 0.01 62 - 65 до 0.07 34.22 - 37.5 до0.005 до 0.002 всього 0.5
Таблиця 2.4 - Хімічний склад алюмінієвого сплаву, ГОСТ 583 - 93 [81]
Марка Масова частка елементів, %
Fe Si Mn Ti Al Cu Mg Zn Zr Домішок
АЛ2 до 0.25 до 0.07 до 0.1 до 0.04 99.24-99.7 до 0.6 до 0.1 до 0.2 до 0.01 інших 2.7
Таблиця 2.5 - Хімічний склад цирконієвого сплаву, ТУ 95.46-82 [82]
Масова частка елементів, %
Марка
С Cr Ti Ni Si Hf Fe Cu Zr Інші
Zr 0,004 0,0031 0,003 0,0079 0,004 0,034 0,0032 0,001 99,9 до 0,04
42
Таблиця 2.6 - Фізичні властивості матеріалів для дослідження [83, 84]
Физическая величина, Марка материала
размерность 08Х13 12Х17 08Х18Н10Т ВТ1 Л63 АЛ2 Zr
Температура
1326 1320 1360 1668 906 578 1852
плавления, С
Плотность, кг/мЗ 7760 7720 7850 4320 8440 2650 6511
Коэффициент
теплопроводности, 28 25 26 22 105 168 21
Вт/(мС )
Удельная
теплоемкость, 462 462 504 523 377 838 291
Дж/(кг С)
Практично всі види комерційних пластиків і смол можна маркувати за
допомогою лазера. Хоча деякі вимагають спеціальних добавок, без яких таке
маркування неможлива [58]. Залежно від використовуваних матеріалів і добавок,
маркування може мати темну основу на світлій поверхні або ж навпаки, світлий
колір на темній поверхні. Полімери - ПВХ, ПЕТ і АБС, поглинають світло від
лазерного обладнання без допомоги добавок. Крім того, добавки можуть служити
для поліпшення властивостей поверхні пластика і збільшення швидкості лазерного
маркування (наприклад, пігменти підсилюють колірні контрасти для смол).
Найбільш часто використовувані в лазерному маркуванні добавки - це слюди,
покриті шаром оксидів металів, глина, тальк, солі антимонита, мідь і інші
матеріали. Для проведення досліджень по маркуванню неметалічних (полімерних)
матеріалів використовувалися наступні пластмаси, представлені в таблиці 2.7:
Таблиця 2.7 - Перелік досліджуваних полімерних матеріалів і їх властивості [85]
№ Назва пластмас 3
ρ, кг/м tпл, °С tразм, °С tхр, °С ГОСТ
1 поліетилен ВД (НП) 948-959 125-135 128-134 -60 ГОСТ 16338
2 поліпропілен 900-910 164-170 95-100 -15…-8 ТУ 6-05-11-05-73
3 полістирол ударостійкий 1060 — 85-95 -40 ОСТ 6-05-406-75
4 Полікарбонат (дифлон) 1200 — 150-160 — ТУ 6-05-1668-74
6 полівінілхлорид (ПВХ) 1380 — 70-85 -75 ГОСТ 9639
7 капролон (поліамид-6) 1130 215 190-200 — ОСТ 6-06-С9-76
8 фторопласт-4 2190-2200 327 100-110 — ГОСТ 10007
43
2.2 Обладнання, що застосовується для маркування виробів
Спектр обладнання, що використовується для лазерної обробки матеріалів,
надзвичайно широкий. Більшість виробників лазерних установок постачають на
ринок не окремі технологічні лазери, а лазерні технологічні комплекси. У них є
пристрої зовнішньої оптики, керовані столи, маніпулятори, роботи для
переміщення вироби під час обробки, а також програмне забезпечення, необхідне
для реалізації конкретної технології.
У першому розділі з використанням літературних джерел [7, 39 - 41] детально
розглядаються існуючі типи сучасних маркувальних лазерних комплексів,
порівнюються їх технологічні можливості і технічні параметри, представлені
моделі лазерних установок, які найбільше себе зарекомендували для нанесення
маркування на вироби.
В роботі експериментальні дослідження по підбору технологічних параметрів
процесу лазерного маркування проводилися на прецизійному лазерному
маркувальному комплексі. На рисунку 2.1 представлений загальний вид лазерної
установки.
Рисунок 2.1 - Загальний вигляд лазерної установки Д'Марк-06
44
Основним елементом установки є лазерний випромінювач. Він генерує
безперервне когерентне монохромне випромінювання з довжиною хвилі 1,064 мкм
в інфрачервоному діапазоні (рисунок 2.2 [41]).
Для розгортки променя в двох взаємно перпендикулярних напрямках служить
відхиляюча система (рисунок 2.3 [41]). Далі по ходу променя знаходиться об'єктив
фокусуючої системи, призначеної для зведення випромінювання в площині
маркування в пляму мінімальних розмірів з метою досягнення високої щільності
потужності в зоні обробки.
Рисунок 2.2 - Принцип роботи лазерів з діодним накачуванням
Рисунок 2.3 - Система заломлення променя (відхиляюча система)
45
Фокусуючою системою комплексу є об'єктив, просвітлений на довжину хвилі
лазерного випромінювання 1,064 мкм з фокусною відстанню 216 мм. У фокальній
площині об'єктив дозволяє отримати пляму діаметром 50 мкм.
Основні характеристики прецизійного лазерного маркувального комплексу
Д'Марк-06 представлені в таблиці 2.8.
Управління лазерним комплексом проводиться за допомогою ЕОМ з
застосуванням спеціального програмного забезпечення: редактора для створення
керуючої програми LaserWork.
Лазерний комплекс призначений для нанесення текстових і графічних
зображень на поверхню виробів методом лазерного маркування й гравірування з
високою точністю і роздільною здатністю з можливістю інтеграції в технологічні
лінії для роботи в автоматичному режимі.
Таблиця 2.8 - Характеристики лазерного маркувального комплексу Д'Марк-06
Загальні характеристики
Розмір зони обробки 100х100 мм
Швидкість обробки от 1 до 2500 мм/сек
Ширина лінії з автоматичним заповненням 0…3 мм
Тип зображення векторне, растрове
сталь, алюміній, титан,
Матеріали, які маркуються напівпровідники, бронза,
резина, пластмаса и т.д.
Споживана потужність (~220 В, 50 Гц) не більше 1200 Вт
Параметри лазерного випромінювача
Тип лазера Nd:YAG
Тривалісь імпульсів випромінювання 40 нс
Діаметр пучка випромінювання 80-100 мкм
Маса випромінювача 2,4 кг
Загальна маса 30 кг
Параметри скануючого пристрою
Програмна роздільна здатність 2,5 мкм
Глибина фокусування 2,5-3 мм
Робоче поле 100х100 мм
Відтворюваність 2,5мкм (1,2 мкм)
46
Представлений маркувальний комплекс забезпечує широкий діапазон
регулювання просторово-часових параметрів лазерного випромінювання, це
дозволяє наносити маркувальні символи на деталі з різних матеріалів, не
пред'являючи високі вимоги до параметру шорсткості поверхні. Однак при цьому
необхідно враховувати деякі технологічні особливості установки, зокрема
просторовий розподіл енергії випромінювання. На рисунку 2.4 представлено
зображення просторового розподілу енергії випромінювання твердотільного Nd:
YAG лазера з діодним накачуванням [39, 43].
Представлений розподіл пояснює той факт, що класичні системи на базі
твердотільного лазера мають розподіл енергії по площі плями з явним піком в його
центрі (гауссово розподіл). Тобто, площа плями такого лазера опромінюється
нерівномірно, викликаючи протікання тих чи інших реакцій тільки в зоні яка
поглинула достатню щільність світлового потоку.
а) б)
Рисунок 2.4 - Просторовий розподіл енергії в лазерному пучку Nd: YAG
лазера з діодним накачуванням [72]:
а) частота проходження імпульсів - 5 кГц, струм накачування - 20А;
б) частота проходження імпульсів - 3 кГц, струм накачування - 36 А
Метали, як відомо, мають високий коефіцієнт відбиття, це відноситься і до
лазерного випромінювання зокрема. Отже, для впливу на них необхідно
направляти вищі щільності потоку лазерного променя, що цілком може бути
47
забезпечено імпульсним випромінюванням лазером даного типу. Для маркування
пластмас найкращим чином також підходять системи на базі твердотільного Nd:
YAG лазера.
2.3 Отримання зображень на металевих і полімерних матеріалах
Лазерний маркуючий комплекс, який використовується в експерименті,
оснащений такою системою розгорткою променя, яка дозволяє досить гнучко
налаштовувати вигляд зображення, що виводиться. За допомогою лазерної
установки, керованої ПК, можливо реалізувати векторний (контурний) і растровий
способи маркування. На рисунку 2.5 наведені приклади таких способів [67].
Рисунок 2.5 - Формування вертикального штриха з використанням лазерного
комплексу: а) - растровий, б) - векторний
При виведенні зображення лазерним комплексом є свої специфічні
особливості, пов'язані як з конструктивними особливостями самого обладнання,
так і з можливістю формування кольору на металевій поверхні. При растровому
режимі маркована область заповнюється порядково. Щільність заповнення
визначається кількістю рядків на 1 мм. Векторний режим маркування дозволяє
виводити контур маркованої області безперервною послідовністю відбитків. Таким
чином, переміщаючи промінь відносно поверхні зразка, можна отримати на
поверхні те чи інше видиме зображення у вигляді цифр, букв, знаків або малюнків.
При впливі лазерного променя на метали і неметалеві матеріали, як було
детально розглянуто в розділі 1, відбувається нагрів з можливим оплавленням і
(або) частковим випаровуванням поверхні матеріалу. Це призводить до появи сліду
(відбитка) на ділянці впливу лазерного променя. В ході проведення досліджень
було встановлено, що відбиток впливу променя лазера має вигляд, представлений
48
на рисунку 2.6 [4, 39]. Відбиток лазерного імпульсу має округлу форму у вигляді
оплавленої ділянки поверхні зразка. Навколо відбитка видно деякий ореол, який
може розглядатися як зона термічного впливу.
Рисунок 2.6 - Вид відбитка лазерного імпульсу (сталь 08Х18Н10Т)
На рисунку 2.7 представлені можливі варіанти взаємного розташування
відбитків, одержуваних від впливу імпульсу лазерного променя, відносно один
одного.
На рисунку 2.8 представлені зображення, отримані при обробці на різних
робочих режимах лазерного комплексу. Варійованим параметром в даному
дослідженні був струм накачування діодної лінійки. Було виявлено, що зміна
даного технологічного параметра лазерної установки призводить до зміни
геометричних параметрів (форми і розмірів) відбитків на металевій поверхні.
Рисунок 2.7 - Варіанти взаємного розташування відбитків лазерного променя
відносно один одного (збільшення х 10): а). Вид відбитка лазерного імпульсу на
поверхні металу, збільшення х 500; б). 100 мкм (збільшення х 10); в). 90 мкм
(збільшення х 10); г). 80 мкм, д). 70 мкм (збільшення х 10)
49
Рисунок 2.8 - Форма і розміри відбитків імпульсів лазерного променя при
різних струмах накачування (сталь 08Х18Н10Т) [39].
Як було розглянуто вище, діаметр відбитка залежить від технологічного
параметра лазерного комплексу (середня потужність імпульсу) і від технічних
характеристик лазерної установки (діаметра променя лазера). Очевидно, що
менший діаметр променя лазера залишить після себе на поверхні матеріалу
відбиток меншого розміру. Зі зменшенням середнього відбитка лазерного променя
якість формованого зображення на маркованій поверхні підвищується.
З метою нанесення маркувального зображення у вигляді логотипу або
закодованого символу на металеву і полімерну поверхні була використана
програма LaserWork, яка управляє лазерним маркуючим комплексом ДМарк-6.
Дана програма розбиває маркуюче зображення на паралельні відрізки. Кожен рядок
за своїми габаритними розмірами зображення може містити декілька відрізків. В
результаті послідовного переміщення лазерного променя уздовж запрограмованого
відрізка на поверхні металу формується оксидна плівка. Спеціальний керуючий
файл, розташований в програмі-редакторі, що зберігає маркувальне зображення
логотипу або штрих-коду, за допомогою програми-виконавця Marker за заданою
програмою формує задане зображення на поверхні виробу, який маркується. При
переміщенні від відрізка до відрізка лазер знаходиться у вимкненому стані. Перед
включенням випромінювання відбувається позиціонування лазерного променя в
50
початкові координати формованого відрізка. Потім проводиться безперервний
вплив імпульсами із заданою частотою і одночасним переміщенням променя до
закінчення відрізка. Перед зміною позиціонування в початок наступного відрізка,
лазерне випромінювання відключається. Таким чином, відбувається поступове
заповнення оброблюваної площі. Приклади нанесення маркувальних знаків на
поверхні різних матеріалів представлені на рисунку 2.9 [3-5, 91].
Рисунок 2.9 - Приклади нанесення маркувальних знаків на металеві (а, в, г) і
полімерні поверхні (б): логотип підприємства (а, б), лінійного (в) і двовимірного
штрих-коду (г)
Таким чином, при певній комбінації таких змінних параметрів лазерного
комплексу, як середня потужність імпульсу, частота проходження імпульсів і
швидкість переміщення лазерного променя, на металевих матеріалах проводиться
формування оксидних плівок шляхом впливу лазерного випромінювання на
поверхню зразка. При лазерному маркуванні пластмас зображення формується
внаслідок змін кольору поверхні і/або змін структури самого матеріалу.
Підвищення інтенсивності випромінювання за рахунок варіювання основних
технологічних параметрів збільшує температуру полімерного (кристалічного)
матеріалу вище точки плавлення. Результатом дії таких високих температур буде
плавлення і випаровування з поверхні, після чого структура поверхні набуває
вигляду гравіювальної канавки. Ця температура може бути різною в залежності від
полімеру, навіть всередині одного сімейства полімерів. При відносно високій
інтенсивності лазерного випромінювання може мати місце локальне
випаровування матеріалу, який доповнюється обвуглювання (карбонізацією)
оброблюваної поверхні, при цьому колір маркувальних зображень стає чорним
(темним). Ставлячи певні параметри лазерного випромінювання можливо
51
ініціювати дисоціацію (розпад) молекул речовини, що входять до складу
пластмаси, що в результаті може привести до колірних змін. Це дозволяє практично
уникнути нагріву і отримати відносно гладку поверхню маркування, але вимагає
відповідного складу пластика, оскільки не всі полімери піддаються лазерному
гравіюванні і маркуванні [48].
2.4 Нанесення штрих-кодів на поверхню металів і полімерів
Лазерні комплекси для нанесення на поверхню деталей маркувальних
символів у вигляді стандартних штрих-кодів так само, як і при формуванні
зображень в форматі малюнків, логотипів, написів, реалізують (контурний) і
растровий способи обробки для формування зазначених зашифрованих символів.
Проте, оператору потрібно самостійно підібрати оптимальний режим нанесення
ідентифікаційного коду з урахуванням параметрів лазерного комплексу і
теплофізичних властивостей оброблюваного матеріалу самостійно. Це вимагає
високої кваліфікації персоналу або використання великої бази даних режимів
маркування для різних матеріалів. При наявності розроблених режимів
технологічного процесу і запропонованої методики їх розрахунку для ряда
матеріалів маркування серійних виробів може бути істотно полегшена.
З метою нанесення маркувальних знаків у вигляді бітових чорно-білих і
кольорових зображень штрих-коду для обробки металевої поверхні застосовується
вищевказаний програмний продукт LaserWork. До складу лазерного маркувального
комплексу також входить програмний продукт, який має функцію створення
зображення штрихового або двовимірного коду в спеціалізованому форматі,
наприклад, у форматі ITF.
Вибираючи діаметр відбитка, який залежить від параметра лазерної установки
(струм накачування діодної лінійки), використовуючи дані, представлені в [68]
можливо розрахувати необхідну кількість ліній для формування на металевій
поверхні лінії, яка буде відповідати ширині одного модуля (0,33 мм) [3-5]. У штрих
з шириною 1 мм буде входити три таких модуля. Загальна кількість ліній, що
містяться в 1 мм пікселя штрих кода, що маркується дорівнює добутку кількості
модулів на кількість ліній в одному модулі.
52
Щоб забезпечити зчитування маркованого закодованого символу, необхідно
створювати такі штрихи (інформаційні поля), колірні характеристики яких будуть
контрастні за кольором з поверхнею матеріалу, що маркується. Якщо немає
можливості підібрати такі кольори при варійованих режимах обробки, то в цьому
випадку слід поле так званої «подложки» штрих-коду обробити попередньо
режимом, який зможе забезпечити контрастний колір відносно до кольору самого
закодованого символу. Колірні поєднання штрих-кодів, що зчитуються і не
зчитуються сканером, наведені в таблиці 2.9. Отримувані в процесі маркування
колірні відтінки штрихів закодованих символік, нанесені на металеві поверхні,
визначаються властивостями оксидів [92], що створюються лазерним
випромінюванням на поверхні оброблюваних матеріалів.
Таблиця 2.9 - Кольорові поєднання штрихових кодів [3, 5, 94]
синій на коричневий на черный на зеленый на
білому білому белом белом
синий на коричневый на черный на зеленый на
желтом желтом желтом желтом
Синий на коричневый на Черный на зеленый на
оранжевом оранжевом оранжевом оранжевом
красный на красный на черный наз оранжевый на
зеленом синем олотом золотом
красный красный на синий желтый
назолотом светлокоричневом назеленом набелом
красный Светлокорич-невый золотой оранжевый
набелом на белом набелом набелом
а) Кольорові поєднання, зчитуються сканером.
б) Кольорові поєднання, не зчитуються сканером.
2.5 Дослідження структури і властивостей плівок, які формують
маркувальні зображення на металевих матеріалах
Рентгеноструктурні дослідження фазового складу оброблених в процесі
лазерного маркування поверхонь сталей 08Х13, 12Х17 і сплаву на основі титану
ВТ1-0 проводилися на багатофункціональному рентгенівському дифрактометрі
ULTIMA IV «Rigaku Corporation», Японія (рисунок 2.10). Дефрактометр
обладнаний спеціалізованою СВО - оптикою на основі багатошарових дзеркал
(патент № 3548556, Японія). На дифрагованому пучку був встановлений плоский
графітовий монохроматор.
53
Рентгеноструктурний аналіз досліджуваних зразків проводився в
фільтрованому CuKα1 - випромінюванні з використанням асиметричної геометрії
ковзаючого паралельного пучка з кутом падіння рентгенівського пучка на зразок,
який дорівнює 2 градуси. При дотриманні такого методу значно збільшується
опромінювана поверхня і зменшується глибина проникнення рентгенівського
пучка в досліджуваний зразок. Сцинтиляційнтй детектор фіксує повний
дифракційний спектр в діапазоні брегговських кутів дифракції 3º - 120º.
Рисунок 2.10 - дифрактометр ULTIMA IV «Rigaku Corporation», Японія
Якісне Рентгеноструктурне дослідження проводилося за повними
дифракційним спектрами, при цьому експериментальні дифракційні спектри
експериментальних зразків, які є суперпозицією спектрів присутніх фаз,
зіставлялися з даними американської картотеки стандартів PDF-2 від 2009 року.
Товщину і структуру поверхневої оксидної плівки, а також структуру
приповерхневого шару металу визначали електронно-мікроскопічно після
приготування крос-секції в перпендикулярній поверхні зразка площини за
допомогою травлення іонами галію. Для проведення досліджень використано
растровий двопроменевий електронно-іонний мікроскоп Quanta 200 3D FEG (фірми
FEI).
54
Вимірювання мікротвердості поверхні подложки (ділянки поверхні, які не
піддалися лазерному імпульсному випромінюванню) і оксидної плівки
проводилося за допомогою мікротвердоміра AFFRI, Італія, при навантаженні 50 гс
методом відбитка чотиригранною пірамідою з квадратною основою (за Вікерсом)
згідно ГОСТ 9450-76 [89].
Висновок до розділу 2
За результатами термодинамічних розрахунків реакцій окислення різних
металів, що входять до складу розглянутих промислових сплавів, можна очікувати
утворення оксидів такого стехіометричного складу, у яких при даній температурі
процесу спорідненість до кисню буде з найбільшою ймовірністю забезпечувати
протікання окислювальних реакцій. Спираючись на літературні дані і розрахунки,
при окисленні сплавів на основі заліза, окисні плівки будуть переважно складатися
з оксидних сполук на основі Fe і Cr.
Метали мають високий коефіцієнт відбиття лазерного випромінювання, тому
для впливу на них необхідні високі щільності потужності лазерного
випромінювання, що відносно легко може бути забезпечене за допомогою
імпульсного впливу лазерного променя. Використовуючи проведений аналіз ринку
лазерного устаткування, яке застосовується для маркування, для нанесення
маркувальних знаків на деталі машин і агрегати був рекомендований прецизійний
маркувальний лазерний комплекс Д'Марк-06, технічні параметри якого
оптимально підходять як для маркування металевих матеріалів, так і пластмас.
Коректна зчитуваність зашифрованих символів буде залежати від
контрастності нанесеного маркування і оброблюваної поверхні.
Основними параметрами процесу маркування виступатимуть технічні
характеристики лазерного комплексу, щоб забезпечити отримання на поверхні
деталей маркувальні зображення необхідної якості. До таких параметрів в першу
чергу відноситься середня потужність імпульсу лазерного променя, яка
безпосередньо задається струмом накачування діодної лінійки лазера. Якість
нанесеного маркувального зображення також визначається роздільною здатністю
55
лазерного комплексу і буде залежати від кількості ліній, що формуються вздовж
напрямку, перпендикулярного руху лазерного променя.
56
Розділ 3 Технологічні режими процесу маркування на металевих
матеріалах
3.1 Модель формування багатокольорових графічних зображень на
металевій поверхні
Для отримання однорідних по товщині оксидних плівок обов'язковою умовою
є рівномірне температурне поле в зоні впливу випромінювання, що створюється
рухомим поверхневим джерелом енергії. Нерівномірність тепловиділення в зоні
лазерного впливу можна оцінити за особливостями відбитка лазерного імпульсу, з
огляду на його залежність від технологічних параметрів і розфокусування
лазерного променя [39, 68].
Для вибору технологічних параметрів лазерного комплексу для нанесення
кольорових логотипів і маркувальних написів використовувалися тестові таблиці,
отримані в роботах [7, 39, 87, 88], що забезпечують отримання оксидних структур,
заданих відтворюваних колірних відтінків на поверхні зразків. Для отримання
стабільності процесу отримання стійких кольорових зображень ще потребує
детального вивчення механізму формування кольору. Необхідно розробити
технологічні режими з метою можливості формування контрастних кодувальних
символів для того, щоб автоматизувати процес маркування та ідентифікації
виробів.
Для проведення теоретичного аналізу теплових умов утворення оксидної
плівки в зоні впливу лазерного випромінювання прийнято нижченаведені фізичні
положення.
Оксидна плівка утворюється від впливу зони поширення тепла наступного
імпульсу на ділянці матеріалу, попередньо активованого (очищеного від природної
оксидної плівки) попереднім імпульсом. Схема, яка пояснює розрахунки,
представлена на рисунку 3.1.
При певному співвідношенні технологічних параметрів, відбитки можуть
накладатися один на одного, якщо зсув наступного імпульсу (dx) менше діаметра
відбитка (рисунок 3.2). Для загального розуміння процесу необхідно представити
57
схему зростання оксидної структури в зоні впливу лазерного випромінювання на
металевій поверхні. Для нарощування однорідної оксидної плівки відбитки слід
накладати один на одного з деяким зсувом таким чином, щоб область видимої
кольорової оксидної плівки перекривала область ванни розплаву.
Рисунок 3.1 - Схема теплового аналізу утворення оксидної плівки
Рисунок 3.2 - Вид поверхні, обробленої серією лазерних імпульсів
Температура поверхні від миттєвого зосередженого джерела тепла, діючого на
напівбезкінечну пластину, може бути описана виразом [30]:
58
де - коефіцієнт поглинання, - час імпульсу (с), Qі - потужність імпульсу
(Вт), r - радіус відбитка лазерного променя (м), K - теплопровідність матеріалу
(Вт/(м*град)), g - щільність матеріалу (кг / м3), с - теплоємність матеріалу (Дж /
(кг*град)).
Для активації поверхні перед утворенням кольору температура в зоні відбитка
повинна трохи перевищувати температуру плавлення, тобто ta = tпл + t, тоді
імпульсну потужність можна визначити з виразу (3.1) наступним чином:
Середня та імпульсна потужності лазерного випромінювання пов'язані
співвідношенням:
звідки можна визначити частоту проходження імпульсів:
де F - частота проходження імпульсів (Гц), тоді
Час охолодження з ta наближено можна оцінити за формулою [27]:
Враховуючи, що час між імпульсами, який визначається частотою
проходження імпульсів, істотно більше часу циклу нагрівання та охолодження,
охолодження нагрітої імпульсним випромінюванням ділянки повністю
завершиться до початку впливу наступного імпульсу.
59
Наприклад, при частоті 90000 Гц час між імпульсами складе 0,0000111 с, час
одного циклу нагріву і охолодження - 0,00000012 с, тобто час між імпульсами в 93
рази більше, ніж 1 термічний цикл. На практиці частота проходження імпульсів
істотно менше розглянутої в прикладі.
Таким чином, нагрів зони утворення оксидної плівки може здійснюватися
тільки за рахунок зони термічного впливу (S на рисунку 3.1).
Протяжність зони термічного впливу від точкового джерела визначаться з
наступного виразу:
З формули видно, що протяжність зони термічного впливу визначається тільки
фізичними властивостями оброблюваного матеріалу і не залежить від
технологічних параметрів лазерної установки.
Величина зміщення подальшого імпульсу може бути визначена наступним
чином. Середня температура в зоні dx (рисунок 3.1) повинна відповідати
температурі утворення оксидної плівки, тобто t'п = (ta + tx)/2, звідки
де t'п=tп+Δt,tп - температура утворення оксидної плівки із заданою
колориметричною характеристикою.
З іншого боку (з рисунка 3.1),
Визначимо швидкість переміщення лазерного променя
Були проведені попередні дослідження і розраховані технологічні параметри
формування кольорових оксидних деякого набору заданих кольорів на основі
оксидів заліза (для сталей) і оксидів титану (для титанового сплаву) (таблиця 3.1).
60
Таблиця 3.1 - Результат розрахунку режимів маркування з метою отримання
кольорових зображень
Показник 08Х18Н10Т 12Х17 ВТ1-0
Температура плавлення, С 1360 1360 1668
З
Цільність, кг/м 7850 4320
Теплопровідність, Вт/(мград) 26 25 22
Теплоємність, Дж/(кгград) 504 462 523
Температура активації, С 2220 1860 2268
Коэффициент поглинання 0,03 0,03 0,04
Струм накачки диодної лінійки, А 13,0 16,0
Импульсна потужність, Вт 10767 8469,43 7530
Середня потужність, Вт 6,72 6,7192 9,86
Частота слідування імпульсів, Гц 15600 15510 15510 32740
Швидкість переміщення пром, м/с 0,010 0,012 0,010 0,012 0,036
Фото зразка
3.2 Модель формування багатокольорових графічних зображень на
металевій поверхні
Обробка металевої поверхні впливом лазера проводилася в кисневому
середовищі (на повітрі) при кімнатній температурі. З метою зниження потужності
лазерного випромінювання використовувалося розфокусування [52, 72], тобто
збільшення або зменшення фокусної відстані відносно фокальної площини.
При нанесенні кольорових символів на металевій поверхні за допомогою
лазерного випромінювання зображення розбивається програмою, що управляє
лазерним комплексом, на паралельні відрізки проходження включеного лазерного
променя. При переміщенні від відрізка до відрізка лазер знаходиться у вимкненому
стані. Таким чином, одна ділянка зображення за габаритними розмірами може
містити кілька відрізків, на яких формується оксидна плівка з заданими колірними
характеристиками (рисунок 3.3).
61
Рисунок 3.3 - Ділянка поверхні, обробленої декількома проходами лазерного
променя в однаковому режимі
Перед включенням лазера відбувається позиціонування лазерного променя в
початкові координати формованого відрізка. Потім проводиться безперервний
вплив імпульсами із заданою частотою і одночасним переміщенням променя до
закінчення відрізка. Перед зміною позиціонування в початок наступного відрізка
лазер відключається. Таким чином відбувається поступове заповнення
оброблюваної площі. Приклад тестових таблиць, отриманих при різній середній
потужності імпульсу, яка визначається струмом накачування діодної лінійки
лазера, представлені на рисунку 3.4. При меншій потужності зображення
кольорової палітри вийшло менш насиченим, а це значить, що при підборі кольору
для нанесення закодованих символів ми можемо отримати недостатню
контрастність зображення.
Рисунок 3.4 - Зображення тестових таблиць, отриманих при різних режимах
обробки зразків зі сталі 12Х17:
а) I = 13 А, F = 15,00 ... 16,35 кГц, V = 0,004 ... 0,013 м / с,
б) I = 16 А, F = 19,50 ... 22,10 кГц, V = 0,010 ... 0,028 м / с
62
У таблиці 3.2 представлені підібрані режими для отримання кольорових палітр
на шести досліджуваних металевих матеріалах, а на рисунку 3.5 представлені
фотографії отриманих колірних палітр на досліджуваних матеріалах.
Таблиця 3.2 Технологічні режими процесу лазерного маркування
№ Матеріал Диапазони технологічних параметрів
Сталь I 14 A
1 08Х18Н10Т F 15...25 кГц
V 5...25 мм/с
Сталь 12Х17 I 13 A
2 F 15...25 кГц
V 10...40 мм/с
Титан ВТ1-0 I 18 A
3 F 20...35 кГц
V 5...25мм/с
Латунь Л63 I 18 A
4 F 50...70 кГц
V 10...30 мм/с
Силумін АЛ2 I 18 A
5 F 20...40 кГц
V 5...30 мм/с
Цирконий I 16 A
6 F 50...70 кГц
V 10...50 мм/с
Сталь 08Х18Н10Т Сплав ВТ1-0 Сталь 12Х17
63
Сплав Л63 Сплав АЛ2 Цирконій
Рисунок 3.5 - Зображення тестових таблиць, отриманих при різних
технологічних режимах роботи лазерного комплексу для шести досліджуваних
матеріалів
Найбільш насичену колірну палітру отриманої палітри мають нержавіючі
сталі і сплав титану.
Можна відзначити задовільну відповідність отриманих кольорів заданим
«оригіналам». Кольорові палітри мідного і алюмінієвого сплавів являють собою
різні відтінки сірих і чорних тонів для алюмінієвого сплаву і жовто-коричневу
палітру для мідного сплаву. Що стосується цирконію, стійкий колір оксиду, який
щільно прилягає до підкладки, зазвичай насичено чорного кольору. Як відомо з
літератури [93], кінетика утворення оксиду цирконію має свою особливість і
формула, яка визначає кількість утвореного оксиду, зазнає в процесі збільшення
товщини зміни показника маси, що автори [93] називають "точкою перелому." Зі
збільшенням маси оксиду колір плівки змінюється спочатку на сірий, а потім і
зовсім на білий, який вже має не щільну структуру, а являє собою рихлу масу.
3.3 Приклад розрахунку режимів формування одномірного штрих-коду
на цирконієвому сплаві
Для розрахунку товщини оксидного шару скористаємося наступними даними:
для -Zr при t <973ºC, D = 9,13 · 10-9м2/с [84], τ = 4 · 10-8
0 ВЗ c. Результати розрахунку
представлені в таблиці 3.3.
Таблиця 3.3 - Розрахунок товщини оксидної плівки цирконію (h), в залежності
від швидкості сканування V, мм/с і частоти F, Гц
64
h, м V, мм/с F, Гц
3,08·10-7 42 52200
Було проведено розрахунок термонапруженого в системі оксидна плівка-
підкладка в α-Zr. Матеріалом подложки є цирконій, а плівки - двоокис цирконію.
Коефіцієнт лінійного розширення плівки двоокису цирконію становить α2 = 9,8 ·
10-6 град-1, а подложки з цирконію - α1 = 11,5 · 10-6 град-1.
Для розрахунків приймемо границю міцності на розтяг оксидної плівки
цирконію 1 = 100 МПа [92].
У таблиці 3.4 представлені результати розрахунку мінімальної товщини
оксидного шару цирконію, менше якого можливо механічне пошкодження його
структури. Аналізуючи дані таблиці, можна відзначити, що товщина формованої
оксидної плівки на поверхні цирконію не розтріскується, тому що її товщина
більше критичного значення.
Для оцінки максимально можливої температури загального нагріву для
розрахованого раніше режиму обробки цирконієвого виробу скористаємося
наступними даними для розрахунків:
2
С = 275,7 Дж/(кг·К)), m=0,045 кг; Pcp= 6 Вт; S=380 мм ; τВЗ = 40 нс.
Таблиця 3.4 - Результати розрахунку максимально допустимої товщини
оксидної плівки
Технологічний режим Розрахункова товщина оксидної плівки, м
частота, Гц швидкість, мм/с формована мінімально допустима
52200 42 -6
1,795∙10 3,08∙10-7
Таблиця 3.5 Результати розрахунку максимально можливої температури
загального нагріву цирконієвої трубки
Швидкість, мм/с Частота, Гц Температура, ºС
42 52200 61
Таким чином, при розрахованій швидкості переміщення променя лазера
загальний нагрів труби не перевищує допустимі межі. Температура виробу після
65
обробки поверхні значно нижче температури окислення (400 ºС) і температури
фазового переходу. Таким чином, оптичні зміни поверхневих властивостей
відбуваються тільки в зоні впливу лазерного променя, не порушуючи структуру
поверхні.
Для підтвердження зчитуваності штрих-коду розрахуємо ступінь поглинання
випромінювання сканера оксидним шаром. Для довжини хвилі скануючого
випромінювання λ = 650 нм лінійний коефіцієнт загасання світла в оксиді цирконію
становить α = 0,7 · 106 м-1 [92]. За глибину проникнення можна прийняти товщину
оксидного шару. Таким чином, ступінь контрастності (I0/I) штрих-коду в
залежності від товщини формованої плівки (h, м) становитиме 3,94.
Розраховане значення задовольняє умові I0/I>e, що підтверджує високу
поглинальну здатність окисного шару. Тому, на поверхні металу цей шар буде
сприйматися штрих-сканером як чорний на білому фоні, що забезпечує впевнене
зчитування штрихового коду.
Таким чином, використовуючи маркуючий комплекс на основі твердотільного
імпульсного лазера, можна формувати однорідний контрастний оксидний шар у
вигляді кольорового штрих-коду безпосередньо на поверхні металевого виробу без
зміни його структурних і фізико-хімічних властивостей.
Для маркування була обрана тонкостінна трубка з цирконію з товщиною
стінки 0,5 мм, діаметром 8 мм.
Результат підготовки зображення штрих-коду представлений на рисунку 3.6.
Жовтими штрихами зображені лінії, які будуть сформовані на матеріалі в процесі
маркування, а червона рамка позначає габарити штрихового коду.
Рисунок 3.6 - Зображення штрих-коду на фоні міліметрової сітки,
підготовленого до маркування в програмі «LaserWork»
66
Під дією лазерного випромінювання формується оксид цирконію ZrО2
чорного кольору, досить щільним і добре зчепленим з поверхнею металу [93].
Для визначення кількості ліній на 1 мм для обробки на середній потужності
випромінювання, отримаємо, що для обробки цирконію лазерним
випромінюванням при струмі накачування діодної лінійки 12 ампер кількість ліній
на 1 мм становить NL = 14. Тоді технологічні параметри режимів обробки поверхні
виробу з цирконію приймуть значення, представлені в таблиці 3.6.
Таблиця 3.6 - Режими отримання оксидної плівки на поверхні цирконію
Колір оксида h, м F, Гц V, мм/с I0/I
ZrO2 чорний 1,795·10-6 52200 42 3,94
Світлочутлива матриця зчитувального пристрою здатна фіксувати різницю
інтенсивності відбитого випромінювання в е разів. Отриманий оксидний шар має
ступінь контрастності I0 / I ≥e, що забезпечують впевнене зчитування штрихового
коду. Формований з допомогою маркувального комплексу однорідний
контрастний оксидний шар у вигляді кольорового штрих-коду безпосередньо на
поверхні цирконієвого сплаву не змінює його структурних і фізико-хімічних
властивостей.
3.4 Режими формування контрастних зображень штрих-кодів на
металевих матеріалах
Були розраховані режими формування маркувальних символів у вигляді
штрихових кодів для досліджуваних металевих матеріалів. Управління лазерною
установкою із завданням розрахованих режимів здійснюється за допомогою
стандартного програмного продукту LaserWork який поставляється в комплекті з
маркувальним комплексом. У таблиці 3.7 наведені технологічні режими для
обробки поверхні 6-ти металевих матеріалів, що забезпечують хорошу
відтворюваність кольору і високу контрастність маркувальних зображень штрихів
на металі.
Інформація для занесення в маркувальні символи була зашифрована в кілька
типів лінійних і двовимірних кодів. Результати маркування при застосуванні
67
обраних режимів з нанесенням зображення штрихових кодів на досліджуваних
матеріалах представлені на рисунку 3.7. Слід зазначити, що для полірованих
зразків (рисунок 3.7 (д)) використовувався додатковий режим для створення
контрастного фону.
Критерієм якості нанесеного штрих-коду прийнято вважати його зчитування
сканером з першого разу. Всі зображення штрих-кодів, нанесені на різні металеві
матеріали, зчитувалися стандартним сканером з першого разу.
Таблиця 3.7 - Технологічні режими процесу маркування 6-ти металевих
матеріалів для нанесення контрастних штрих-кодів
N Марка Стр, Частота, Швидкіст Нанесений
Dpi Палітра
п/п матеріалу А Гц , мм/с колір
1 ВТ1-0 18 20000 5 508
2 08Х18Н10Т 14 15500 3 508
3 Цирконій 13 52400 42 508
4 АЛ2 18 21300 10 508
5 12Х17 14 15500 3 508
6 Л63 18 51000 11 508
Рисунок 3.7 - Зображення зразків з нанесеними штрих-кодами: а - ВТ1-0; б -
08Х18Н10Т; в - цирконій; г - силумін; д - 12Х17; е - латунь Л63
Отримані експериментальні результати представлені в статтях [2-5, 86, 91,
110].
Технологія штрихового кодування безпосередньо металевих і пластикових
виробів (корпус, електроди, кришки) може успішно застосовуватися при
виробництві кришки ємності одоранта в промисловому масштабі з метою їх
68
автоматизованого обліку та контролю, а також захисту від контрафактної
продукції. Рекомендовані режими були застосовані в процесі маркування деталей
кришки ємності одоранта, в нанесені маркувальні символи був зашифрований
необхідний обсяг інформації (рисунок 3.8).
Рисунок 3.8 - Лінійний код UCC / EAN-128, матричні PDF-417, QR-code,
і Data-Matrix на титановій кришці одоранта з ВТ1
Для маркування кришки одоранта були обрані найбільш поширені з
двовимірних кодів UCC / EAN-128 (рисунок 3.9, а), з матричних - QR-code (б), PDF-
417 (в) і Data-Matrix (г).
Нанесення маркування імпульсним лазерним впливом на виріб з метою
нанесення інформаційного поля, закодованого в маркувальному символі, дозволяє
забезпечити захист маркованої продукції від підробок і одночасно зберігати певний
обсяг технічної та іншої інформації безпосередньо на самому виробі, необхідної
для забезпечення його надійної і довгострокової експлуатації.
Дослідження можливості нанесення маркувальних закодованих символів на
полімерні матеріали з використанням лазерного випромінювання проводилися на
зразках 8 марок: 1 - поліетилен; 2 - поліпропілен; 3 - полістирол; 4 - полікарбонат;
5 - поліетилентерефталат (ПЕТ); 6 - полівінілхлорид (ПВХ); 7 - капролон; 8 -
фторопласт-4.
69
Рисунок 3.9 - Основні типи штрих-кодів, використані для маркування
одоранта: двовимірний UCC / EAN-128 (а), матричні QR-code (б), PDF-417 (г) і
Data-Matrix
На рисунку 3.10представлені нанесені лазером штрихові і матричні коди на
деякі деталі виробів машин різних галузей промисловості.
а) Маркування турбінної б) Трійник головки блоку з в) Диск з Р6М5
лопатки зі сталі Cr-Mo-V АЛ35 (двомірний штрих- (лінійний штрих-код
(двомірний штрих-коду код PDF417 і нанобаркод) CODE 128)
PDF 417)
70
г) лінійний штрих-код на д) Стрижень зі сталі 20 е) Шатун зі сталі 20
цирконію (двомірний штрих-код (лінійний штрих-код
PDF417 і нанобаркод) CODE 128)
Рисунок 3.10 - Приклади маркування деталей кодувальнимим символами
3.5 Дослідження показників якості нанесених маркувальних зображень
Надійність зчитування будь-якого штрих-коду повинна забезпечуватися
якістю завданого маркувального символу. У загальному випадку коректність
зчитування закодованої інформації залежить від декількох критеріїв: геометричних
розмірів, поєднання кольорів і контрастності штрихів і пробілів. Не менш
важливим показник якості нанесеного зображення є його стійкість при
транспортуванні, експлуатації та зберіганні. У випадках нанесення штрих-коду на
поверхні матеріалів додатковою умовою успішного зчитування є якість обробки
поверхні (полірована, шліфована і т.д.). Полірована поверхня, інтенсивно
відображаючи випромінювання світлодіодів, некоректно засвічує елементи ПЗС
матриці сканера, і зчитування закодованої інформації з таких поверхонь буде
ускладнено.
Нанесені на експериментальні зразки з металевих і неметалевих матеріалів
штрих-коди проходили перевірку на коректну зчитуваність і розшифровку
закодованої інформації.
Критерієм якості нанесеного штрих-коду прийнято вважати його зчитування
сканером з першого разу. Всі зображення штрих-кодів, нанесені на досліджувані
матеріали з попередньо розрахованими контрастними режимам нанесення,
71
задовольняли цій умові - зчитування стандартним сканером здійснювалося з
першого разу рисунок 3.11.
Рисунок 3.11 - Сканування зображення штрих-коду, нанесеного на поверхню
зразка зі сплаву АЛ2
На рисунку 3.12 наведені приклади розшифровки закодованої за допомогою
двовимірних (матричних) кодів типу QR-code (рисунок 3,12 а) і Data- Matrix
(рисунок 3.12 б) інформації, нанесеної лазерним маркувальним комплексом на
поверхню матеріалу ВТ1-0. Розшифровка інформації проводилася за допомогою
доступної в інтернет-ресурсах програми, встановленої на мобільний телефон
(смартфон), що володіє фотокамерою. Занесена в закодовані маркувальні символи
інформація розшифровувалась коректно.
Рисунок 3.12 - Приклади розшифровки матричних кодів (а - QR-code, б -
Data-Matrix) стандартними сканерами
72
Для перевірки надійності нанесених маркувальних символів були проведені
дослідження по стійкості оксидних плівок, сформованих на металевих зразках при
обробці імпульсним лазером. Експериментальні випробування проводилися при
підвищених температурах і в агресивних середовищах. Дослідження по хімічній
стійкості оксидних плівок полягали в поміщенні дослідних зразків в агресивні
середовища і витримки їх протягом тривалого часу.
Для визначення хімічної стійкості оксидного шару, сформованого при обробці
лазерним маркувальним комплексом, досліджувані металеві зразки з
корозійностійких сталей, титанового, мідного і алюмінієвого сплавів з нанесеними
маркувальними символами поміщалися в насичений розчин NaCl (рисунок 3.13)
при кімнатній температурі.
Рисунок 3.13 - Зразок зі штрих-кодом в ванні з розчином NaCl
Через кілька годин зразки був витягнуті з розчину. Був проведений візуальний
контроль і мікроскопічний аналіз. Результати цього дослідження показали
відсутність будь-яких видимих слідів корозії на замаркованих ділянках, збереглися
колірні характеристики нанесених символів. На рисунку 3.14 наведені результати
мікроскопічного аналізу та візуального контролю для сплаву АЛ2. Після
проведених досліджень не виявили колірні зміни маркувальні мітки, нанесені на
зразки з корозійностійких сталей і титанового сплаву. Закодовані мітки з
титанового сплаву ВТ1-0 також були схильні до дії 20% водного розчину лугу, і
після витримки протягом 24 годин не проявили ознаки корозії. Розшифровка при
зчитуваності обробленого коду відбулася коректно.
73
Рисунок 3.14 - Зразок АЛ2 зі штрих-кодом після витримки в соляному
розчині
Дослідженню впливу високих температур піддавалися маркувальні мітки,
нанесені на зразки із сталей 08Х18Н10Т, 12Х17 та сплавів ВТ1-0 і Л63. Для
проведення експерименту зразки були поміщені в піч для термообробки при
температурі 500 ° С і були витримані протягом 4 годин.
Візуальний контроль маркувальних символів після проведення термічної
обробки показав, що колірні характеристики замаркованої поверхні матеріалів з
корозійностійких сталей 08Х18Н10Т і 12Х17 і титанового сплаву ВТ1-0 не мають
видимих змін. Також варто відзначити деяку «захисну» функцію нанесених
оксидних плівок по відношенню до матеріалу зразка, який в процесі проведення
експерименту окислився, змінивши свій колір (рисунок 3.15 б). За результатами
проведених досліджень можна зробити висновок, що, зміна товщини оксидної
плівки, яка була отримана при обробці поверхні зразка лазерним
випромінюванням, при подальшій термічній обробці не спостерігається.
Рисунок 3.15 - Ділянка кольорової мітки на поверхні зразка зі сталі 12Х17 а)
до поміщення в піч, б) після термічної обробки
74
Таким чином, можна стверджувати, що маркувальні зображення, отримані на
досліджуваних металевих матеріалах з корозійностійких сталей і титанових сплавів
в процесі лазерного маркування, будуть зберігати свої службові характеристики не
тільки при нормальних, але і при підвищених температурах експлуатації деталей.
На рисунку 3.16 представлені зразки сплаву Л63 з нанесеними кольоровими
палітрами до проведення термообробки в печі і після. За результатами проведеного
експерименту можна зробити висновок про те, що нанесені маркувальні символи
нестійкі на поверхні мідного сплаву, колірні палітри на поверхні зразка істотно
відрізняються до нагрівання в печі і після проведеної термообробки.
Рисунок 3.16 - Колірна палітра на Л63 а) до термообробки, б) після
термообробки
75
Висновок до розділу 3
Теоретичний аналіз теплових умов формування оксидних структур на
поверхні металевих зразків показав наступне: плівкові оксидні структури видимого
спектру формуються в обмеженому діапазоні зміни потужності випромінювання.
Величина діапазону визначається умовами утворення оксидних плівок: фізичними
властивостями матеріалу, хімічним складом і технологічними параметрами
випромінювача. Зміни таких параметрів, як швидкість переміщення лазерного
променя і частота проходження імпульсів не в меншій мірі, ніж середня потужність
імпульсу, впливає на колірну характеристику замаркированного зображення або
символу, яскравість насичення кольору і його контрастність.
Розраховані технологічні режими нанесення зашифрованих міток на метали і
пластмаси, підтвердили значимість врахування параметрів лазерної установки і
матеріалів, які маркуються
З'ясувалося, маркувальні символи, нанесені імпульсним прецизійним лазером,
володіють всіма якостями, які пред'являються до маркування подібного типу, і,
найголовніше, не погіршує експлуатаційні якості виробів, основне з яких корозійна
стійкість.
76
Розділ 4. Охорона праці та безпека в НС
4.1 Безпека лазерів і лазерних установок
Вплив лазерного випромінювання (ЛВ) на обслуговуючий персонал у
залежності від виду установки: установки закриті і відкриті. Технологічні ЛУ в
більшості випадків закритого типу; унікальні і дослідницькі – в основному
відкриті, можуть бути закриті.
Умови експлуатації: стаціонарні і пересувні, у виробничих приміщеннях,
лабораторіях, клініках і польових умовах.
Спосіб відводу тепла: із природним і примусовим охолодженням, повітряним
чи рідинним (вода чи рідина, що містить як правило токсичні речовини).
Призначення: унікальні, дослідницькі, спеціальні, технологічні, медичні.
Потужність випромінювання: надпотужні, потужні, середньої потужності,
малої потужності.
У відповідності із СНіП 2392-81 і ГОСТ 12.1.040-83 ЛР і ЛУ за ступенем
небезпеки випромінювання підрозділяються на чотири класи.
До лазерів I класу відносяться ЛР, вихідне випромінювання яких не становить
небезпеки для очей і шкіри. При експлуатації ЛР і ЛУ даного класу не потрібно
дозиметричного контролю ЛВ у робочій зоні і медичного обслуговування навіть
при максимальній тривалості опромінення протягом усього робочого дня (8 год. чи
3∙104 с). Однак ЛР даного класу, випромінювання яких знаходиться у видимому
діапазоні спектра, можуть призвести до зорового дискомфорту, у зв’язку, з чим
бажане вживання заходів, що зменшують засвітлення очей.
До лазерів II класу відносяться такі ЛР, вихідне випромінювання яких
становить небезпеку при опроміненні очей прямим чи дзеркально відбитим
випромінюванням.
До лазерів III класу відносяться такі ЛР, вихідне випромінювання яких
становить небезпеку при опроміненні очей прямим, дзеркально відбитим, а також
дифузійно відбитим випромінюванням на відстані 10 см від дифузійно відбиваючої
77
поверхні і при опроміненні шкіри прямим і, дзеркально відбитим
випромінюванням.
До лазерів IV класу відносяться такі ЛР, вихідне випромінювання яких
становить небезпеку при опроміненні шкіри дифузійно відбитим
випромінюванням на відстані 10 см від дифузійно відбиваючої поверхні.
Клас небезпеки ЛР і ЛУ встановлюється підприємством-виробником
4.2 Джерела небезпечних і шкідливих виробничих факторів при
використанні лазерів та лазерних установок
При експлуатації ЛУ персонал може піддаватися впливу комплексу
небезпечних і шкідливих факторів, кількість і інтенсивність яких залежать від
просторово-енергетичних характеристик ЛВ, лазерних технологій (ЛТ), умов
експлуатації і конструктивних особливостей ЛР. Характерно, що практично
кожному типу ЛР і ЛУ, кожному технологічному процесу відповідає певний
комплекс небезпечних і шкідливих виробничих факторів. Деякі ЛТ вимагають
подачі в робочу зону технологічного середовища (наприклад, при зварюванні
подають інертні гази) чи введення додаткової енергії (механічної, електромагнітної
і т.д.). Прикладами комбінованих методів можуть служити газолазерне різання,
лазерно-електрична обробка отворів і т. д. Тому необхідно в кожнім конкретному
випадку розглядати окремо особливості роботи кожного типу ЛР і ЛУ стосовно до
умов їхньої експлуатації.
Небезпечні і шкідливі виробничі фактори розділяють на основні і супутні. До
основних небезпечних і шкідливих факторів відносяться власне монохроматичне,
когерентне ЛВ і паразитне випромінювання (відбите і розсіяне), а до супутніх –
фактори, що виникають у робочій зоні (на лазерних ділянках) при експлуатації ЛР
і інших установок.
Розглянемо механізм утворення супутніх небезпечних і шкідливих факторів.
Монохроматичність, когерентність і мала розбіжність лазерного променя
дозволяють сфокусувати його на надзвичайно малій площі, що прагне до точки,
діаметр якої відповідає порядку довжини хвилі, що дає можливість одержати на
78
поверхні оброблюваного матеріалу енергію при густинах потужності до 1017
Вт/см2. Однак час існування зазначеної потужності у фокусі імпульсного лазерного
променя мізерно малий: 10-3 – 10-9 с. Проте в подібних умовах дія даного променя
на різні матеріали приводить до їхнього руйнування і випару (метали
випаровуються при щільності потужності випромінювання порядку 1010 Вт/см2).
Пари, що утворилися, розширюються зі швидкістю, порівнянною зі швидкістю
звуку (v=103 м/с), що приводить до механічного ефекту – тілу надається імпульс
віддачі.
При проходженні через середовище ЛВ з діелектричною ε і магнітною μ
проникністю утвориться інтенсивне електричне поле, напруженість якого (В/м) для
плоскої хвилі визначається за формулою
E = 2W .
При фокусуванні ЛВ у газі в режимі модульованої добротності виникає так
званий лавинний пробій: у фокусі лінзи утвориться згусток високоіонізованної
високотемпературної плазми, що є джерелом м’якого рентгенівського
випромінювання з довжиною хвилі порядку 1,0 нм.
При нагріванні речовини ЛР до температури 107 - 108 К можливе збудження
ядерних реакцій. При нагріванні дейтрієвої плазми утвориться нейтронне і жорстке
рентгенівське випромінювання.
Турбулентність атмосфери викликає блукання променя, його розсіювання і
сцинтиляцію. При проходженні променя через ділянки з різною температурою, за
рахунок зміни показника заломлення, він відхиляється від початкового напрямку.
При великому діаметрі променя різні його ділянки потрапляють у різні турбулентні
області і промінь починає розділятися і розходитися. Блукання і розбіжність
променя зменшуються при збільшенні його діаметра або при великих відстанях від
джерела, де, в основному, спостерігається ефект сцинтиляції, тобто перерозподіл
енергії усередині променя. Було виявлено, що на відстані 1 км від джерела рівень
опромінення перевищував рівень на осі променя поблизу джерела в 4-5 разів, в
79
інших ділянках перетину рівні опромінення були нижче. Таким чином, небезпека
ЛВ, імовірно, найбільша в таких «гарячих» точках.
З наведеного вище можна зробити висновок, що при використанні ЛР у
залежності від класу їхньої небезпеки, застосовуваної технології й умов
експлуатації можуть існувати групи фізичних, хімічних і психофізіологічних
небезпечних і шкідливих виробничих факторів.
Висока напруга є на зарядних пристроях, що живлять батарею конденсаторів
великої ємності. Після розряду конденсаторів на лампи (спалахи) вони можуть
зберігати залишкову напругу високого потенціалу, є напруга також у ланцюгах
управління. Напруги дотиків і струми, що протікають через тіло людини при
нормальному (неаварійному) і аварійному режимах роботи лазерних установок, не
повинні перевищувати допустимих значень, зазначених у ГОСТ 12.1.038 – 82.
У результаті радіолізу повітря утворюються озон, оксиди азоту й інших газів,
що викликають загазованість повітря робочої зони. Розряди імпульсних ламп
накачування супроводжуються утворенням озону, концентрація якого швидко
зменшується по припиненню розряду ламп у зв’язку з його розпадом. Озон і оксиди
азоту утворяться також у результаті іонізації повітря іонізуючими
випромінюваннями утвореними при експлуатації високовольтних джерел
живлення ЛР. У результаті випару матеріалу мішені при зварюванні, паянні,
свердлінні й інших технологічних процесах утворяться оксид вуглецю, шкідливі
газові домішки і пари летучих органічних сполук, використовуваних у
технологічних процесах (нітробензол, нітротолуол, чотирьох-хлористий вуглець і
т.д.). У результаті термоокислювального розкладання матеріалу мішені і реакції в
ЛР утворюється ціаністий водень. Гранично припустимі концентрації (ГДК)
зазначених газів і парів наведені в ГОСТ 12.1.005 – 88.
Оксиди елементів, що входять до складу матеріалу, що руйнується чи
випаровується під впливом лазерного випромінювання (оксиди свинцю, олова,
вісмуту, алюмінію і т.д.), виділяються в повітря і створюють аерозоль дезинтеграцї
80
і конденсації, вміст якого в повітрі робочої зони не повинен перевищувати
встановлених ГДК згідно ГОСТ 12.1.005-88.
Змінюється іонний склад повітря. Як правило, збільшується вміст негативних
іонів у безпосередній близькості (20-40 см) від імпульсних ламп. Джерелом
іонізації повітря є сфокусоване ЛВ, ультрафіолетове й іонізуюче випромінювання.
Припустимий вміст легких іонів у повітрі виробничих і суспільних приміщень з
кондиціонуванням повітря наведений в табл. 4.1.
Таблиця 4.1 Нормативні величини іонізації повітря виробничих і суспільних
приміщень
Число іонів в 1 см3
Рівень
п + П
п -
Мінімально
400 600 – 0,2
необхідний
1000- 3000- Від – 0,67 до 0
Оптимальний
3000 5000 Від – 0,05 до +
Максимально
50 000 50 000 0,05
допустимий
Зауваження: У таблиці прийняті наступні позначення: п + – легкі позитивні
іони; п - – легкі негативні іони; П – показник полярності
П = (п + - п -)/( п + + п -)
- 1< П < + 1, при рівності позитивних і негативних іонів П = 0.
Джерелом іонізуючих випромінювань можуть бути: джерела живлення
(вакуумні випрямні кенотрони і тиратрони, генераторні лампи); активне
середовище (радіонукліди: тритій, радіоактивні матеріали й ін.); пристрої
накачування ЛР (пучками електронів, протонів, зарядженими осколками ядерних
реакцій і рентгенівським випромінюванням); досліджуване середовище (при
взаємодії потужного ЛВ з досліджуваним середовищем може виникати
рентгенівське випромінювання, а також нейтрони, якщо середовище, являє собою
термоядерне паливо: дейтерій, суміш тритію з дейтерієм); комбіновані установки
(на яких використовується незалежно один від одного ЛВ й іонізуюче
випромінювання від стороннього джерела) і випромінювання рентгенівських і
гамма-ЛР.
81
Під час роботи імпульсних ламп і газорозрядних трубок генеруються
ультрафіолетове й інфрачервоне випромінювання, а при роботі імпульсних ламп
накачування — випромінювання видимого діапазону високої інтенсивності.
Найбільш небезпечними є випадки самовільного розряду розекранованих ламп,
тому що при цьому персонал не встигає вжити заходів обережності. Джерелами
інфрачервоного випромінювання є самі ЛУ, нагріті матеріали і т. д. Припустима
густина потоку інфрачервоного й ультрафіолетового випромінювань не повинні
перевершувати допустимі значення наведені у табл. 4.2.
Таблиця 4.2 Допустимі густини потоку інфрачервоного та ультрафіолетового
випромінювання
Довжина хвилі, нм Допустима густина потоку енергії, Вт/м2
Інфрачервоне випромінювання
760 – 1500 100
1500 – 3000 120
3000 – 4500 150
4500 – 10 000 120
Ультрафіолетове випромінювання
400 – 320 10
320 – 280 0,05
280 - 200 0,001
Зауваження: 1. Допустима інтегральна густина потоку інфрачервоного
випромінювання не повинна перевищувати 70 Вт/м2 при користуванні
повсякденним одягом і 140 Вт/м2 при наявності спеціальних засобів захисту. 2. При
ультрафіолетовому випромінюванні обов’язковий захист органів зору та шкіри.
При роботі імпульсних ЛР виникають звукові, ультразвукові та інфразвукові
коливання високої інтенсивності, а при роботі механічних затворів і ротаційних
насосів – шум.
Шкідливим фактором є також електромагнітне випромінювання (поле),
використовуване для накачування.
82
У рідинних ЛР використовуються, як правило, агресивні і токсичні рідини
(наприклад, оксихлорид фосфату), що вимагає застосування спеціальних
запобіжних заходів при виконанні операції заливання, заміни і зливу, а також
заходів для виключення можливості виходу рідини назовні через несправність чи
ушкодження систем трубопроводів.
Якщо для охолодження ЛР використовується рідина, що містить токсичні
речовини, повітря приміщення може забруднюватися газами чи парами, що
виділяються з недостатньо щільних з’єднань у системі судин і трубопроводів.
Використання для охолодження рідкого азоту чи гелію може призвести до
утворення рідкого кисню, що збільшує ймовірність виникнення
вибухонебезпечних ситуацій.
Усі перераховані небезпечні і шкідливі фактори розподіляють за походженням
на дві основні групи. До першої групи відносяться фактори, виникнення яких
зв’язане з власною роботою ЛР, до другої групи – фактори, походження яких є
результатом взаємодії ЛВ з оброблюваними матеріалами чи з різними елементами,
необхідними для виконання маніпуляцій з лазерним променем, табл. 4.3:
4.3 Механізми дії лазерного випромінювання
Механізм біологічної дії ЛВ на оператора складний і різноманітний і залежить
від енергетичної експозиції в імпульсі чи енергетичної освітленості, довжини
хвилі, тривалості імпульсу, частоти повторення імпульсів, тривалості впливу,
площі ділянки, що опромінюється, від біологічних і фізико-хімічних особливостей
опромінюваних тканин і органів.
Під впливом ЛВ в організмі виникають первинні біологічні ефекти, тобто
органічні зміни в опромінюваних тканинах, і вторинні ефекти – неспецифічні
зміни, що виникають в організмі у відповідь на опромінення.
Лазерне випромінювання здійснює на людину наступні впливи:
- термічне (теплове) – при фокусуванні ЛВ виділяється значна кількість тепла
в невеликому об'ємі зa короткий проміжок часу;
- енергетичне – великий градієнт електричного поля, обумовлено високою
83
щільністю потужності; може викликати поляризацію молекул, електрострикцію,
резонансні й інші ефекти;
- утворення у межах клітини мікрохвильового електромагнітного поля;
- фотохімічне;
- механічне проявляється у виникненні коливань типу ультразвукових в
опромінюваному організмі;
- розщеплення білків;
- генетичний розпад молекул РНК та ДНК кислот і поступове відмирання
клітин зі зміненим генетичним кодом;
- гуморальна функція, зв’язана з отруєнням трупною отрутою (вплив
продуктів розкладання).
Найбільш вивченим у даний час є термічний вплив лазерних випромінювань.
Установлено вибірне поглинання лазерної енергії клітинами, що містять певну
речовину. В основі біологічної дії будь-якого випромінювання лежить ступінь
поглинання енергії біологічними структурами, що визначається величиною кванта
(E = h ). Таке випромінювання добре поглинається в організмі пігментними
утвореннями, цитохромами клітин, молекулами гемоглобіну й ін.
Ще більша кількість біологічних елементів тканин організму людини і тварин
поглинають інфрачервоне випромінювання. При цьому інфрачервоне
випромінювання ближньої області поглинається тими ж біологічними
структурами, що і випромінювання видимого спектра. Інфрачервоне
випромінювання дальньої області взаємодіє, головним чином, із тканинами, що
містять воду.
Таблиця 4.3 Класифікація небезпечних і шкідливих факторів ЛР і ЛУ за їх
походженням
Небезпечні і шкідливі Джерела (причини) виникнення
фактори
Перша група
Пряме лазерне Лазер
випромінювання
84
Імпульсні світлові спалахи Випромінювання імпульсних ламп
накачування
Ультрафіолетове й Випромінювання імпульсних ламп
інфрачервоне випромінювання накачування; кварцові газорозрядні трубки і
кювети
Озон і оксиди азоту Іонізація повітря при розрядці
імпульсних ламп накачування
Шум Робота допоміжних елементів лазерної
установки
Рентгенівське Лазер з робочою напругою, кВ:
випромінювання: 10—60
м'яке 60—120
середньої жорсткості Понад 120
жорстке
Електромагнітні поля ВЧ- і ЗВЧ-накачка
радіочастот
Агресивні і токсичні рідини Активне середовище, охолоджуючі
рідини
Іонізуюче випромінювання Накачування ЛР пучками електронів,
протонів, зарядженими осколками ядер-них
реакцій і рентгенівським випромі-нюванням;
рентгенівські і гама -ЛР
Друга група
Дифузно і дзеркально Взаємодія лазерного променя з різними
відбите лазерне випромінювання елементами по ходу променя
Розсіяне лазерне Взаємодія лазерного променя з частками
випромінювання повітряного середовища
Імпульсні світлові спалахи Випромінювання плазменного
смолоскипа
Імпульсний шум Звукові імпульси в результаті «удару»
лазерного променя по оброблюваному
матеріалу
Забруднення повітряного Продукти деструкції, отримувані при
середовища аерозолями обробці матеріалів лазерним променем
Електричні поля високої Взаємодія особливо потужного ЛВ з
інтенсивності речовиною, що обробляється
Іонізуюче випромінювання Активне середовище
Комбіновані Стороннє джерело
Теплова дія ультрафіолетових випромінювань при високих рівнях енергії може
бути досить вираженою. Ці випромінювання можуть викликати еритему і
85
пігментацію, хемолюмінесценцію біологічних структур. Вони мають генетичну і
канцерогенну дію.
Термічна дія ЛВ має свою специфіку. Так, при впливі випромінювання
імпульсного ЛР в опромінених тканинах відбувається швидке нагрівання тих
структур, що добре поглинають цю енергію. Причому, якщо це випромінювання
відповідає режиму вільної генерації, то за час імпульсу (який триває в межах 1 мс)
тепло встигає впливати на досить великий об’єм тканин і викликати їхнє
ушкодження, що має характер термічного опіку.
При дії випромінювання з укороченим імпульсом (випромінювання ЛР у
режимі модульованої добротності з тривалістю імпульсу τ = 10–7 – 10-12 с) тепло
практично не встигає поширитися в навколишні тканини і рідину. У результаті
цього адсорбувавши енергію структури миттєво нагріваються до дуже високих
температур. Таке миттєве нагрівання викликає подобу вибуху опромінених
тканинних елементів, зокрема, пігментних утворень, наприклад, меланіну. При
впливі на очне дно це випромінювання приводить до важких ушкоджень (розриви,
розшарування сітківки, кровотечі).
Під впливом дії ЛВ відбувається порушення життєдіяльності як окремих
органів, так і організму в цілому. При дії на клітини, тканини й органи в них
виникають гістохімічні та біологічні зміни, а також патофізиологічні ефекти. У дії
випромінювання на складні біологічні структури розрізняють три стадії: фізичну,
фізико-хімічну і хімічну.
На першій стадії (фізичній) відбуваються елементарні взаємодії
випромінювання з речовиною, при цьому речовина нагрівається, спостерігаються
фазові переходи в матеріалі клітини, кавітація у фізіологічних рідинах,
перетворення енергії випромінювання в енергію механічних коливань, іонізація
атомів і молекул, збудження і переведення електронів з валентних рівнів у зону
провідності, рекомбінація збуджених атомів і ін.
При впливі неперервного ЛВ переважає в основному тепловий механізм дії,
наслідком якого є коагуляція (згортання) білка, a при великих потужностях – випар
86
біотканин. При потужності випромінювання в імпульсі понад 107 Вт і високій
ступені фокусування лазерного променя можливе виникнення іонізуючих
випромінювань.
В міру зменшення інтенсивності випромінювання тепловий механізм
ушкодження тканини, що опромінюється, починає поступатися місцем квантовим
ефектам, що проявляються при поглинанні випромінювання і переносі енергії у
всіх структурах, що входять до складу біологічної тканини.
На другій стадії (фізико-хімічній) з іонів і збуджених молекул утворюються
вільні радикали (Н2О2, HO2 і ін.), що володіють високою здатністю до хімічних
реакцій.
На третій стадії (хімічній) вільні радикали реагують з молекулами речовин, що
входять до складу тканини, і при цьому виникають ті молекулярні ушкодження, які
і визначають загальну картину впливу лазерного випромінювання на
опромінювану тканину і організм у цілому.
Енергія квантів ультрафіолетового випромінювання в діапазоні довжин хвиль
0,380-0,006 мкм змінюється в межах 3,26-123 еВ відповідно. Кванти з енергією 12-
15 еВ здатні викликати іонізацію води й атомів кисню, водню, азоту, вуглецю.
Виходячи з того, що вода і перераховані атоми становлять основу живої тканини,
випромінювання з енергією 12 еВ розглядають як нижню межу для біологічних
систем, а при енергії більш 12 еВ можливе ураження тканини, викликане
розкладанням молекулярного кисню з наступним утворенням озону.
Первинною ланкою біологічного ефекту УФ-випромінювання є чисто фізичний
процес поглинання його молекулами біологічних структур. Далі, внаслідок реакції
взаємодії розвиваються фізико-хімічні процеси збудження, іонізації і дисоціації,
що приведуть до тих чи інших кінцевих біологічних ефектів, і головним у механізмі
дії є фотохімічний ефект. При цьому напрямок фотохімічних реакцій залежить від
інтенсивності і дози опромінення. Малі дози стимулюють процеси біосинтезу
тканинних колоїдів, сприяють росту і діленню клітин. Великі – гнітять ріст і
ділення клітин, викликаючи фотоліз, що руйнує клітини. Зі зменшенням довжини
87
хвилі вражаюча дія УФ-випромінювання зростає, але одночасно зменшується його
проникаюча здатність, а це, у свою чергу, приводить до того, що ушкодження
обмежується поверхневими шарами тканин.
При впливі потужного імпульсу випромінювання на організм в опромінених
тканинах виникає ударна хвиля безпосередньо від «удару» самого імпульсу. Тиск,
що надається лазерним променем на опромінюваний об’єкт визначається за
формулою
p=W(l+ρ)/с,
де с – швидкість світла у вакуумі; W – інтенсивність випромінювання в площині
об’єкта; ρ – коефіцієнт відбивання даного випромінювання від поверхні
опромінюваного об’єкта. При W = 3∙109 Вт/см2 і ρ = 0,5 р ≈ 1,5∙105 Па.
Механічна дія ЛВ. Поява ударної хвилі обумовлена виникненням градієнтів
тиску усередині опромінюваної системи за рахунок об’ємного розширення (як зі
зміною фазового стану, так і без нього), викликаного короткочасним локальним
нагріванням тканини, а також імпульсом віддачі при випарі біотканин з поверхні.
Теплове розширення може виникнути на поверхні або у внутрішній зоні
опромінюваної тканини, механічні навантаження при цьому характеризуються
величинами порядку десятків Паскалей.
Висока інтенсивність потоку ЛВ супроводжується ударною хвилею такої сили,
при якій ушкоджуються і внутрішні органи. Наприклад, опромінення поверхонь
грудної клітки, черевної стінки, голови викликає ушкодження печінки, кишечнику
й інших органів черевної порожнини, а також внутрішньоклітинні і внутрімозкові
крововиливи.
Механічний ефект випромінювань лазерів, що працюють в імпульсному
режимі, містить у собі не тільки дію ударної хвилі, але й інші механічні явища.
Важливим ефектом є реактивна дія на тканину, що виникає внаслідок викиду
речовини з поверхні об’єкта, що опромінюється.
При опроміненні шкірних покривів імпульсними ЛВ з щільністю потоку енергії
40 Дж/см2 і більше над поверхнею шкіри виникає короткочасне (вулканоподібне)
88
здуття, а потім і викид дрібних часток у вигляді «султана». При впливі на очі чи
шкіру імпульс випромінювання суб’єктивно відчувається як короткий точковий
удар.
Тому що біологічні тканини дуже неоднорідні за своєю анатомо-фізіологічною
структурою, у зоні опромінення термічний і механічний впливи супроводжуються
вторинними ефектами: гідродинамічним стиском і розрідженням середовища,
появою негативного тиску у певних ділянках середовища й іншими, котрі можуть
приводити до більш виражених патоло-гічних змін у зоні опромінення і
збільшувати площу ушкодження.
Зі збільшенням енергії в імпульсі випромінювання ударна хвиля може досягти
таких значень, при яких струс розподіляється в більш глибоко залягаючі тканини
організму, а частина енергії проникає через шкірні покриви, підшкірну клітковину,
кісткову тканину і досягає внутрішніх органів.
Електрострикція – деформація молекул в електричному полі ЛВ, пропорційна
квадрату напруженості електричного поля Е і проявляється як зміна густини
ΔV/V = AE2,
де ΔV/V – відносна об’ємна деформація; А – постійна електрострикції;
А = β∙ρ∙(∂ε ⁄ ∂ρ) ⁄ 2π;
β – стискаємість; ρ – густина; ε – діелектрична проникність середовища.
Ушкодження внутрішніх органів виникають у результаті не тільки механічної
дії випромінювання, але й як наслідок безпосереднього впливу енергії ЛВ на
тканини внутрішніх органів. При експлуатації потужних ЛР збільшується
небезпека ушкодження внутрішніх органів і головного мозку при впливі прямого
ЛВ чи дзеркально відбитого.
До числа специфічних ефектів біологічної дії ЛВ відносяться зміни генетичних,
ферментативних і інших властивостей тканин, а також деяких властивостей крові,
зрушення біохімічних показників. В основі специфічної дії випромінювань лежать
складні процеси, спричинені вибірним поглинанням електромагнітної енергії
тканинами, а також електричними і фотохімічними ефектами.
89
Високий градієнт електричного поля, обумовлений великою щільністю енергії
ЛВ, може викликати поляризацію молекул, резонансні й інші явища. При
потужностях ЛВ, що доходять до сотень мегаватів, можливі процеси іонізації
біомолекул, генерація гармонік, багатофотонні процеси й ін. Так, наприклад, при
впливі рубінового випромінювання (λ = 0,69 мкм) можна отримати ефект,
аналогічний ефекту випромінювання УФ-лазера. Ця можливість заснована на
процесі поглинання, коли внаслідок високої енергетичної щільності енергії ЛВ два
окремих фотони беруть участь у єдиному процесі поглинання. Ефект двофотонного
поглинання може виявлятися у вигляді органічних змін патологічного характеру й
у вигляді функціональних зорових реакцій.
У механізмі дії ЛР, що працюють у режимі неперервного випромінювання,
ведуче місце займає термічна чи специфічна дія, а механічні ефекти (ударні хвилі
й ін.) не мають істотного значення. Значення механічних ефектів зростає в міру
укорочення імпульсу і підвищення потужності випромінювання (імпульсно-
модульований режим).
Під впливом енергії ЛВ невеликої інтенсивності виникають різні
функціональні зміни, при цьому найбільш «реактивними» є зоровий аналізатор,
центральна нервова, ендокринна і серцево-судинна системи. Характер і виразність
функціональних змін залежить від параметрів ЛВ (довжина хвилі, експозиція,
тривалість і частота повторення імпульсу, чи рівень інтенсивності випромінювання
і частота впливу), а також від реактивності організму, характеру і локалізації
впливу (пряме чи дифузійно відбите випромінювання, опромінюються очі чи інші
частини організму). Функціональні зрушення більш виражені при комбінованій дії
на організм ЛВ і інших факторів (шум, мікроклімат, освітленість, кисневе
голодування, підвищена стомлюваність, вітамінне голодування й ін.).
Випромінювання ЛР великої потужності викликає гормональні зрушення.
90
4.4 Вплив лазерного випромінювання на очі
Найбільш чутливими до впливу ЛВ є очі. Око людини розрізняє
випромінювання у видимій області спектра 0,4-0,76 мкм. Однак середовище ока
здатне пропускати випромінювання в більш широких межах спектра – 0,4-1,4
Рисунок 4.1 Пропускна здатність ока
мкм. Найкраща пропускна здатність ока знаходиться в області 0,5-0,9 мкм (рис.
5.1, а). Отже, у залежності від довжини хвилі випромінювання відбуваються зміни
в тканинах очного дна або в передньому відділі ока. Таким чином, ефект впливу,
лазерного випромінювання на орган зору в значній мірі залежить від спектрального
а) б)
діапазону випромінювання.
Рис. 9.1. Залежність пропускної здатності Тλ середовища ока (а) і
Ушкодження сітчастої оболонки виникає переважно при впливі ЛВ видимого і
погли-наючої здатності Кλ тканин дна ока (б) від довжини
ближнього інфрачервоного діапазонів спектра, що проходять через око майже без
випромінювання
втрат і фокусуються на сітківці. У результаті цього на сітківці створюється
локальна щільність енергії, у 105 раз більша у порівнянні з щільністю енергії на
роговиці. Тому влучення ЛВ зазначених довжин хвиль небезпечно для зору, воно
викликає опіки і розриви, приводить до ушкодження сітківки і судинної оболонки
ока і є причиною сліпоти.
Щільність енергії (потужність) на сітківці ока зростає при збільшенні діаметра
зіниці, тому імовірність ушкодження ока, адаптованого до темряви, більша, ніж
імовірність ушкодження в умовах яскравого освітлення.
91
Для випромінювань з довжинами хвиль менше 0,4 мкм і більше 1,4 мкм оптичні
середовища ока є непрозорими, і тому фокусуюча дія відсутня.
Спектральний інтервал УФ з погляду характеру біологічних ефектів
поділяється на три області: ультрафіолет А – UV – A (0,315-0,4 мкм), В – UV – В
(0,28-0,315 мкм) і С – UV – С (0,1-0,28 мкм). Випромінювання з довжиною хвилі λ
< 0,2 мкм поглинається киснем повітря з утворенням озону і тому істотної
біологічної ролі не грає.
Вплив УФ на орган зору в основному приводить до враження роговиці
(кератит). Найбільшою фотокератичною дією володіє випромінювання з довжиною
хвилі 0,288 мкм.
Ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі λ ≤ 0,32 мкм практично
цілком поглинається у роговій оболонці та кон’юнктиві і викликає їхнє
ушкодження – різного ступеня враженості кон’юнктивіт і фотокератит, які
супроводжуються світлобоязню, блефароспазмом, сльозотечею і болючими
відчуттями. У важких випадках може виникнути виразка рогової оболонки, аж до
її перфорації. Випромінювання у цій області спектра характеризується
кумулятивною дією, причому реакція організму, відома як відчуття «піску в очах»,
виявляється не відразу, а опісля від 30 хв до 1 доби.
Ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі λ ≤ 0,38 мкм приводить
також до ушкодження переднього відділу ока. Механізм ушкодження обумовлений
як тепловим, так і специфічною фотобіохімічною дією цього випромінювання, яке
викликає абіотичні ушкодження. При високій інтенсивності опромінення
з’являються пухирі, іноді невеликі крововиливи. Після гострої реакції поверхневі
шари епідерми відриваються, а в глибоких шарах з’являється пігментація. При
важких ушкодженнях утворюються тромби в судинах шкіри, що викликає
дегенерацію і некроз епітелію. Ультрафіолетове випромінювання області А
відповідає невидимому інтервалу спектра, і його патологічний ефект виражається
в утворенні катаракти.
92
У видимому діапазоні випромінювання проходить без особливих реакцій через
оптичні середовища ока і впливає головним чином на світлочутливі клітки сітківки,
викликаючи чи тимчасове осліплення, чи опік з наступними рубцюваннями, що
приводить до втрати зору в даній області зорового простору. Випромінювання
цього діапазону можуть викликати дефект тканини, злипаюче запалення,
ущільнення тканини і механічне руйнування тканини з викидом крові.
Інфрачервоне випромінювання (ІФ) підрозділяється на наступні три області:
діапазон IR – А (0,78-1,4 мкм), IR – B (1,4-3 мкм) і IR – С (3 мкм - 1 мм).
Установлено, що при λ ≥ 1,4 мкм практично всі попадаючі на око
випромінювання поглинають роговиця ока і волога передньої камери, а при λ ≥ 1,9
мкм випромінювання поглинає тільки роговиця. Інфрачервоне випромінювання
помірної інтенсивності приводить до нагрівання біологічних структур, для яких
можливе настання режиму теплової рівноваги.
Випромінювання в діапазоні IR – А поглинається райдужною оболон-кою,
кришталиком і склоподібним тілом. Багата пігментом райдужна обо-лонка ока
нагрівається, і за рахунок теплопровідності виникає коагуляція білка кришталика.
Ураження очей при цьому відбувається через тривалий проміжок часу. Нагрівання
райдужної оболонки викликає дратівне відчуття і мигальний рефлекс. При великих
густинах енергії осліплення необоротне внаслідок температурного помутніння
кришталика.
Інфрачервоне випромінювання з λ = 1-1,64 мкм поглинається переваж-но
роговою оболонкою. Цей діапазон вважається найменш небезпечним для ока, тому
що ураження виникають поверхневі, тимчасового характеру і тіль-ки при великих
густинах енергії випромінювання.
Високоінтенсивне випромінювання IR – А поглинається пігментними
утвореннями очного дна, викликаючи їх нагрів. Перегрів клітин до температури
вище 37 °С призводить до різкого перевантаження механізмів клітини,
відповідальних за очищення від речовин продуктів обміну, що утрудняє її
функціонування. Нагрів до температури вище 45 °С викликає переродження
93
клітинних ферментів і загибель клітини. Якщо ж клітина нагрівається до
температури вище 100 °С, то внаслідок пароутворення, яке має при високій
швидкості нагрівання характер вибуху, можуть спостерігатися механічні
руйнування тканин ока, які опромінюються. Подібні процеси обумовлюють
ушкодження тих тканин ока, які на довжині хвилі випромінювання інтенсивно її
поглинають.
Випромінювання з λ = 10,6 мкм добре поглинається і нагріває ті тканини, що
містять велику кількість води (рогова оболонка, кон’юнктива). Граничні зміни в
роговій оболонці (вміст води 70 %) спостерігаються при щільності потоку
випромінювання порядку десятих часток вата на квадратний сантиметр. При
великих рівнях випромінювання (20 Вт/см2) виникає стійке помутніння рогової
оболонки.
Як бачимо у залежності від довжини ЛВ різною є і локалізація ушкодження
органа зору.
Імпульсне ЛВ з λ = 0,4-1,4 мкм становить більшу небезпеку, ніж неперервне,
тому що в цьому випадку ушкодження очного дна викликається комбінованою
дією – термічною і механічною. Механічна дія випромінювання виявляється у
вигляді «вибуху» зерен меланіну (високомолекулярні водонерозчинні пігменти), у
результаті чого зерна пігменту викидаються у склоподібне тіло.
Мимовільні рухи очного яблука приводять до того, що окремі ділянки сітківки
змінюють своє положення щодо падаючого випромінювання багато разів у
секунду. Тому неперервне й імпульсно-періодичне випромінювання викликають
ушкодження сітківки в області, значно більшій, ніж площа сфокусованого на ній
зображення, навіть у тому випадку, якщо під час опромінення пучок не
відхиляється від прямої лінії бачення.
Таким чином, лазерне випромінювання здійснює шкідливу дію на всі
структури органів зору. У міру збільшення щільності енергії випромінювання
ступінь ураження та зміни тканин ока зростає. Основний механізм ушкоджень –
теплова дія.
94
4.5 Вплив лазерного випромінювання на шкіряний покрив і внутрішні
органи
Опромінення шкіри ЛВ може викликати в ній патологічні зміни, при цьому
можливо виникнення як легких функціональних змін (почервоніння), так і важких
(некроз – омертвіння, карцинома шкіри – злоякісна пухлина).
При впливі потужного ЛВ на шкірі виникає термічний опік. Вплив більш
високих енергій приводить до більш глибоких некротичних змін. При впливі ЛВ з
енергією понад 100 Дж/см2 на шкірі виникає ділянка некрозу з кратероподібною
деформацією.
Малі рівні також впливають на організм. Однократний імпульс
випромінювання здійснює більшу дію, ніж серія імпульсів. Так, неодимове ЛВ
викликає такі ж видимі зміни на шкірі при рівні енергії 20-25 Дж/см2, як і
багаторазове (5 імпульсів протягом 2 с) при енергії в одиницях Дж/см2. Слабкий
вплив випромінювання на шкіру супроводжується змінами функціонального
характеру. Ефект впливу на шкірні покриви визначається, з одного боку,
параметрами ЛВ, з іншого, – ступенем пігментації шкіри і станом кровообігу. За
інших рівних умов опромінення темнопігментована шкіра (особливо родимі
плями) поглинає лазерне випромінювання значно більше, ніж світла шкіра. У той
же час відсутність достатньо вираженої пігментації створює умови для більш
глибокого проникнення випромінювання у шкіру і навіть під шкіру, унаслідок чого
можуть уражатися і підшкірні тканини. Мало пігментована шкіра пропускає від 45
до 60 % випромінювання рубінового ЛР, а шкіра разом з підшкірними м’язами –
від 25 до 30 %.
Найбільший біологічний вплив здійснює ЛВ з довжинами хвиль 0,28-0,32 мкм.
Воно більш глибоко проникає в шкіру і має виражену, канцерогенну дію. Біологічні
ефекти, що виникають при опроміненні шкіри ЛВ у значній мірі залежать від
довжини його хвилі. Так при дії УФЛВ найбільш характерними ураженнями є: різні
фотохімічні реакції, еритема, розриви хімічних зв’язків у більшості молекул, що
входять до складу живої тканини, різні переродження, стимулювання появи
95
новоутворень, утворення вільних радикалів, дія на внутрішні органи. При дії ЛВ
видимого діапазону в основному проявляється його термічна дія. А при дії ЛВ ІЧ-
області спектра найбільш характерними проявами є: виражені деструктивні зміни
термічного характеру (опіки різного ступеня), мікроскопічні (гістологічні і
гістохімічні) зміни, ураження внутрішніх органів. Зазначимо, що як наслідок дії ЛВ
можуть виникати зміни в органах дихання, серцево-судинній та ендокринній
системах, порушення обміну речовин.
Зокрема при однократному впливі ЛВ з довжиною хвиль 1,06 мкм і щільністю
енергії до 10 Дж/см2 видимих змін на шкірі не виявляється, однак в епідермісі
виникає гіперкератоз і паракератоз, а в дермі –гіперемія і проліферація гістоцитів.
Уже при щільності енергії 20 Дж/см2 з’являються видимі ознаки ушкодження –
некротичні зміни; при 50 Дж/см2 – дрібні крововиливи і некроз усієї дерми, у центрі
впливу руйнувалися придатки шкіри; при 150 Дж/см2 – некроз поширюється за
межі зони опромінення, а при 250-400 Дж/см2 – некроз захоплював усю товщу
шкіри і підшкірної клітковини, аж до м’язів.
Одним з найбільш часто зустрічаємих ознак ушкодження шкіри є набрякання
жирових клітин у глибоких шарах сполучної тканини. Існує різка границя між
ушкодженими і неушкодженими тканинами. Пузир лазерного опіку, на відміну від
звичайного термічного, локалізується глибше. Сфокусований лазерний промінь
викликає більш виражені по глибині і тяжкості ураження, ніж не сфокусований, три
цьому характер і тяжкість ушкодження шкіри залежать від параметрів ЛВ, а також
від абсорбційної і відбивної здатності шкіри, ступеня її гетерогенності, вмісту води
і теплопровідності.
У деяких випадках відзначається підвищена чутливість шкіри обличчя людини
до випромінювань видимого спектра (синьо-зелена область). Реакція шкіри на ЛВ
виявляється в почервоніннях, набряклості, почутті сверблячки і печіння, болючих
відчуттях.
При впливі на шкіру ЛВ невеликої інтенсивності в організмі виникають
загальні функціональні біохімічні зміни: підвищення вмісту цукру і холестерину в
96
крові, зменшення кількості еритроцитів, гемоглобіну, збільшення кількості
лейкоцитів і тромбоцитів, зрушення в системі згортання крові, коливання
артеріального тиску, загальна слабість, сонливість, нездужання, зміна частоти
скорочення серця, тупий головний біль у лобово-скроневих і потиличних областях,
запаморочення, колючі болі і неприємні відчуття в області серця, пригнічення
сухожильних рефлексів, тремтіння пальців рук і вік, розлад діяльності зорових і
інших аналізаторів, гноблення функції органів слуху, порушення функцій
вестибулярного апарата, функціональні розлади в діяльності нервової і серцево-
судинної систем, зменшення частоти пульсу.
При великих інтенсивностях опромінення можливі ушкодження внутрішніх
органів, які мають характер набряків, крововиливу, кровотечі, омертвіння тканин і
ін. Вплив на кров виражається в деформації червоних кров’яних тілець, руйнуванні
оболонки еритроцитів.
Важливою особливістю впливу ЛВ на внутрішні органи є чергування
ушкоджених і неушкоджених шарів тканин. Це зв’язано з ефектом стоячих хвиль,
що утворюються в результаті відбиття падаючого випромінювання від кісткових
поверхонь чи границь між різними т тканинами. Ушкоджені ділянки тканини
збігаються з пучностями, де щільність потоку енергії багаторазово зростає в
порівнянні з щільністю потоку енергії падаючого випромінювання
Загальні висновки
1. Встановлено закономірності процесу утворення оксидних структур із
заданими колірними характеристиками на поверхні металевих матеріалів в процесі
обробки виробів імпульсним лазером. У полімерних матеріалах відбувається
оплавлення і випаровування поверхневого шару з утворенням контрастних ділянок
по відношенню до відтінку основного кольору поверхні.
2. На основі математичної моделі визначено основні технологічні
параметри процесу лазерного маркування і їх допустимі межі для формування на
97
матеріалах різних класів (металеві, полімерні) маркувальних зображень і бітової
інформації (у вигляді закодованих символів).
3. Для обраних матеріалів, найбільш широко застосовуються для
виготовлення деталей машин і агрегатів, відтворені технологічні режими процесу
обробки поверхні з метою нанесення лазерним обладнанням кольорових
маркувальних зображень і міток із закодованою інформацією для можливості
обліку деталей та ідентифікації.
4. Представлені результати дослідження властивостей, структурного і
фазового складу отриманих в процесі лазерної обробки маркувальних зображень
(покриттів), які несуть інформацію. Перевірені експлуатаційні властивості
нанесених маркувань, які підтверджують стійкість нанесених зображень і
зашифрованої інформації, а також її коректну зчитуваність.
98
Список використаної літератури
1. ДСТУ 8302:2015. Інформація та документація. Бібліографічне
посилання. Загальні положення та правила складання. Київ : ДП «УкрНДНЦ»,
2016.
2. ДСТУ 3008:2015. Інформація та документація. Звіти у сфері науки і
техніки. Структура та правила оформлювання. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2016.
3. ДСТУ 4163:2020. Державна уніфікована система документації.
Уніфікована система організаційно-розпорядчої документації. Вимоги до
оформлення документів. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2021.
4. Ідентифікація та штрихове кодування / GS1 Ukraine. URL:
https://gs1ua.org/systema-gs1/identyfikatsiia-ta-shtrykhove-koduvannia/ (дата
звернення: 24.03.2026).
5. Про штрихові коди / GS1 Ukraine. URL: https://gs1ua.org/systema-
gs1/identyfikatsiia-ta-shtrykhove-koduvannia/pro-shtrykhovi-kody/ (дата звернення:
24.03.2026).
6. Як отримати штриховий код / GS1 Ukraine. URL: https://gs1ua.org/iak-
otrymaty-shtrykhovyy-kod/ (дата звернення: 24.03.2026).
7. Вимоги до штрих-коду на товарі / GS1 Ukraine. URL:
https://gs1ua.org/iakist-shtrykhovoho-kodu/ (дата звернення: 24.03.2026).
8. GS1 General Specifications. Release 26.0. Brussels : GS1 AISBL, 2026.
URL: https://ref.gs1.org/standards/genspecs/ (accessed: 24.03.2026).
99
9. ISO/IEC 15420:2025. Information technology — Automatic identification
and data capture techniques — EAN/UPC bar code symbology specification. Geneva :
ISO, 2025.
10. ISO/IEC 15416:2025. Automatic identification and data capture techniques
— Bar code print quality test specification — Linear symbols. Geneva : ISO, 2025.
11. ISO/IEC 15415:2024. Automatic identification and data capture techniques
— Bar code symbol print quality test specification — Two-dimensional symbols. Geneva
: ISO, 2024.
12. ISO/IEC 16022:2024. Information technology — Automatic identification
and data capture techniques — Data Matrix bar code symbology specification. Geneva :
ISO, 2024.
13. ISO/IEC 18004:2024. Information technology — Automatic identification
and data capture techniques — QR Code bar code symbology specification. Geneva :
ISO, 2024.
14. ISO 11145:2018. Optics and photonics — Lasers and laser-related
equipment — Vocabulary and symbols. Geneva : ISO, 2018.
15. ISO 11553-1:2020. Safety of machinery — Laser processing machines —
Part 1: General safety requirements. Geneva : ISO, 2020.
16. IEC 60825-1:2014. Safety of laser products — Part 1: Equipment
classification and requirements. Geneva : IEC, 2014.
100
17. Афанасьєва О. В., Лалазарова Н. О., Федоренко Є. П. Лазерна
поверхнева обробка матеріалів : монографія. Харків : ФОП Панов А. М., 2020. 100
с.
18. Пупань Л. І. Лазерні технології у машинобудуванні : навчальний
посібник. Харків : НТУ «ХПІ», 2023.
19. Лазерні технології : практикум / уклад. О. М. Савченко та ін. Київ : КПІ
ім. Ігоря Сікорського, 2022.
20. Сучасні технології маркування продукції // Упаковка. 2012. № 6. URL:
https://irbis-nbuv.gov.ua/cgi-
bin/irbis_nbuv/cgiirbis_64.exe?C21COM=2&I21DBN=UJRN&IMAGE_FILE_DOWN
LOAD=1&Image_file_name=PDF%2FUpakovka_2012_6_15.pdf&P21DBN=UJRN
(дата звернення: 24.03.2026).
21. Лабецька М. Т. Лазерне маркування і гравіювання металевих поверхонь
// Квалілогія книги. 2014. № 1. URL: https://www.irbis-nbuv.gov.ua/cgi-
bin/irbis_nbuv/cgiirbis_64.exe?C21COM=2&I21DBN=UJRN&IMAGE_FILE_DOWN
LOAD=1&Image_file_name=PDF%2FKk_2014_1_9.pdf&P21DBN=UJRN (дата
звернення: 24.03.2026).
22. Арешонков В. В. Використання лазерного випромінювання для
нанесення маркування на металеві поверхні // Вісник ЛДУ БЖД. 2010. № 4. URL:
https://www.irbis-nbuv.gov.ua/cgi-
bin/irbis_nbuv/cgiirbis_64.exe?C21COM=2&I21DBN=UJRN&IMAGE_FILE_DOWN
101
LOAD=1&Image_file_name=PDF%2FVlduvs_2010_4_39.pdf&P21DBN=UJRN (дата
звернення: 24.03.2026).
23. Земляков О. І. Керування процесом лазерної обробки матеріалів :
кваліфікаційна робота. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023. URL:
https://ela.kpi.ua/bitstreams/8350e15c-4620-4d8f-a41c-ae229b1dc5f0/download (дата
звернення: 24.03.2026).
24. Кривоногов Є. В. Лазерне формоутворення тонколистових деталей
складної форми : кваліфікаційна робота. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023.
URL: https://ela.kpi.ua/items/c0ffd887-8e2d-49ac-8635-5060fa83d772 (дата
звернення: 24.03.2026).
25. Steen W. M., Mazumder J. Laser Material Processing. 4th ed. London :
Springer, 2010. 558 p.
26. Dahotre N. B., Harimkar S. P. Laser Fabrication and Machining of Materials.
New York : Springer, 2008. 504 p.
27. Dowden J. The Theory of Laser Materials Processing: Heat and Mass
Transfer in Modern Technology. Dordrecht : Springer, 2009. 390 p.
28. Bäuerle D. Laser Processing and Chemistry. 4th ed. Berlin : Springer, 2011.
844 p.
29. Ion J. C. Laser Processing of Engineering Materials: Principles, Procedure
and Industrial Application. Oxford : Elsevier, 2005. 576 p.
30. Ready J. F., Farson D. F. LIA Handbook of Laser Materials Processing.
Berlin : Springer, 2001. 715 p.
102
31. Lawrence J., Pou J., Low D. K. Y., Toyserkani E., eds. Advances in Laser
Materials Processing: Technology, Research and Applications. Oxford : Woodhead
Publishing, 2010.
32. Powell J. CO2 Laser Cutting. 2nd ed. London : Springer, 1998.
33. Silfvast W. T. Laser Fundamentals. 2nd ed. Cambridge : Cambridge
University Press, 2004.
34. Svelto O. Principles of Lasers. 5th ed. New York : Springer, 2010.
35. Chrisey D. B., Hubler G. K., eds. Pulsed Laser Deposition of Thin Films.
New York : Wiley, 1994.
36. Choudhury I. A., Shirley S. Laser cutting of polymeric materials: An
experimental investigation // Optics & Laser Technology. 2010. Vol. 42, Issue 3. P. 503–
508.
37. Dubey A. K., Yadava V. Laser beam machining — A review // International
Journal of Machine Tools and Manufacture. 2008. Vol. 48, Issues 6–7. P. 609–628.
38. Gallo O., Tekin E., Odone F., Coughlan J. M. Reading 1-D barcodes with
mobile phones using deformable templates // IEEE Transactions on Pattern Analysis and
Machine Intelligence. 2011. Vol. 33, No. 9. P. 1834–1843.
39. Tekin E., Coughlan J. M. A Bayesian algorithm for reading 1-D barcodes //
Proceedings of the 6th Canadian Conference on Computer and Robot Vision. 2009. P.
261–268.
103
40. Youssef S. M., Salem A. B. M., El-Adawy M. I. Automated barcode
recognition for smart identification and inspection automation // Expert Systems with
Applications. 2007. Vol. 33, Issue 4. P. 968–977.
41. Katona M., Nyúl L. G. Efficient 1D and 2D barcode detection using
mathematical morphology // Computer Vision and Image Understanding. 2013. Vol. 117,
Issue 6. P. 759–767.
42. Zamberletti A., Gallo I., Albertini S. Robust angle invariant 1D barcode
detection // Proceedings of the 2nd IAPR Asian Conference on Pattern Recognition. 2013.
P. 160–164.
43. Sörös G., Flörkemeier C. Blur-resistant joint 1D and 2D barcode localization
for smartphones // Proceedings of the 1st ACM International Workshop on Mobile
Vision. 2013. P. 11–16.
44. Xiao Y., Ming Y., Cheng Z. 1D barcode detection via integrated deep-
learning and geometric approach // Applied Sciences. 2019. Vol. 9, No. 16. Art. 3268.
45. Narayan G. R., Nair M. S. Barcode recognition from video by combining
image processing and FPGA implementation // Procedia Engineering. 2012. Vol. 38. P.
3676–3681.
46. Palmer R. C. The Bar Code Book: A Comprehensive Guide to Reading,
Printing, Specifying, Evaluating and Using Bar Code and Other Machine-Readable
Symbols. 5th ed. Petersborough : Helmers Publishing, 2007.
104
47. ISO/IEC 15418:2016. Information technology — Automatic identification
and data capture techniques — GS1 Application Identifiers and ASC MH10 Data
Identifiers and maintenance. Geneva : ISO, 2016.
48. ISO/IEC 15424:2008. Information technology — Automatic identification
and data capture techniques — Data Carrier Identifiers (including Symbology
Identifiers). Geneva : ISO, 2008.
49. ISO/IEC 19762-1:2024. Information technology — Automatic identification
and data capture (AIDC) techniques — Harmonized vocabulary — Part 1: General terms
relating to AIDC. Geneva : ISO, 2024.
50. ISO/IEC 29158:2020. Information technology — Automatic identification
and data capture techniques — Direct Part Mark (DPM) quality guideline. Geneva : ISO,
2020.
51. ISO 8044:2020. Corrosion of metals and alloys — Vocabulary. Geneva :
ISO, 2020.
52. ISO 9227:2022. Corrosion tests in artificial atmospheres — Salt spray tests.
Geneva : ISO, 2022.
53. ISO 643:2019. Steels — Micrographic determination of the apparent grain
size. Geneva : ISO, 2019.
54. ISO 6507-1:2023. Metallic materials — Vickers hardness test — Part 1: Test
method. Geneva : ISO, 2023.
55. ISO 6507-2:2023. Metallic materials — Vickers hardness test — Part 2:
Verification and calibration of testing machines. Geneva : ISO, 2023.
105
56. ISO 6507-3:2023. Metallic materials — Vickers hardness test — Part 3:
Calibration of reference blocks. Geneva : ISO, 2023.
57. ISO 6892-1:2019. Metallic materials — Tensile testing — Part 1: Method of
test at room temperature. Geneva : ISO, 2019.
58. ISO 6892-2:2018. Metallic materials — Tensile testing — Part 2: Method of
test at elevated temperature. Geneva : ISO, 2018.
59. ASM Handbook. Vol. 4A. Steel Heat Treating Fundamentals and Processes.
Materials Park, OH : ASM International, 2013.
60. ASM Handbook. Vol. 5. Surface Engineering. Materials Park, OH : ASM
International, 1994.
61. Callister W. D., Rethwisch D. G. Materials Science and Engineering: An
Introduction. 10th ed. Hoboken : Wiley, 2018.
62. Davis J. R., ed. Stainless Steels. Materials Park, OH : ASM International,
1994.
63. Davis J. R., ed. Copper and Copper Alloys. Materials Park, OH : ASM
International, 2001.
64. Lide D. R., ed. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 105th ed. Boca
Raton : CRC Press, 2024.
65. Veiko V., Odintsova G., Ageev E., Karlagina Y. Development of complete
color palette based on spectrophotometric analysis for laser-induced coloration of metals
// Optics and Lasers in Engineering. 2016. Vol. 86. P. 202–209.
106
66. Li Z. L., Zheng H. Y., Lim G. C., Chu P. L. Analysis of oxide formation
induced by UV laser coloration of stainless steel // Applied Surface Science. 2009. Vol.
256, Issue 5. P. 1582–1588.
67. Antończak A. J., Skowroński Ł., Trzcinski M., Abramski K. M. The
influence of process parameters on the laser-induced colouring of titanium // Applied
Physics A. 2014. Vol. 115. P. 1003–1013.
68. Kosec T., Kovač J., Legat A. Influence of laser colour marking on the
corrosion properties of AISI 304 stainless steel // Coatings. 2019. Vol. 9, No. 6. Art. 375.
69. Jwad T., Khan M. S., Hussain T. Erasing and rewriting of titanium oxide
colour marks using laser processing // Applied Surface Science. 2018. Vol. 458. P. 1021–
1028.
70. Li X., Liu H., Wang Y. Study on the effect of laser-induced oxidation on
color change and wettability of 2D codes etched on titanium alloy surfaces // Applied
Surface Science. 2023. Vol. 641. Art. 158397.
71. Matějíček J., Cvrček L., et al. On the detection and removal of oxides from
laser-textured metallic materials // Applied Sciences. 2024. Vol. 14, No. 24. Art. 11657.
72. Walkowicz M., Batory D., et al. Effect of nanosecond laser ablation and
oxidation on the surface evolution of copper // Coatings. 2025. Vol. 15, No. 4. Art. 383.
73. WIPO Patentscope. WO2001061619A1. Identification marking by laser
scribing. Geneva : WIPO, 2001.
74. United States Patent. US6423935B1. Identification marking by laser
scribing. 2002.
107
75. WIPO Patentscope. WO2002086052A1. Object having a marked surface
and method of marking same. Geneva : WIPO, 2002.
76. ISO/TR 60825-14:2022. Safety of laser products — Part 14: A user’s guide.
Geneva : ISO, 2022.
77. ISO 11553-2:2007. Safety of machinery — Laser processing machines —
Part 2: Safety requirements for hand-held laser processing devices. Geneva : ISO, 2007.
78. ISO 11553-3:2013. Safety of machinery — Laser processing machines —
Part 3: Noise reduction and noise measurement methods. Geneva : ISO, 2013.
79. ASTM E384-22. Standard Test Method for Microindentation Hardness of
Materials. West Conshohocken, PA : ASTM International, 2022.
80. ASTM G46-94(2018). Standard Guide for Examination and Evaluation of
Pitting Corrosion. West Conshohocken, PA : ASTM International, 2018.
81. ASTM B117-19. Standard Practice for Operating Salt Spray (Fog)
Apparatus. West Conshohocken, PA : ASTM International, 2019.
82. ASM Specialty Handbook: Aluminum and Aluminum Alloys / ed. by J. R.
Davis. Materials Park, OH : ASM International, 1993.
83. ASM Specialty Handbook: Titanium and Titanium Alloys / ed. by C. Leyens,
M. Peters. Materials Park, OH : ASM International, 2003.
84. Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів :
навчальний посібник / В. В. Хільчевський та ін. Київ : Либідь, 2002. 328 с.
85. Авіаційні матеріали та їх технології : навчальний посібник / уклад.
колектив авторів. Київ : КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2022. URL:
108
https://ela.kpi.ua/bitstream/123456789/48971/2/Aviatsiini_materialy.pdf (дата
звернення: 24.03.2026).
86. Вплив лазерного маркування на структуру та властивості металевих
поверхонь // Зб. наук. праць транспортних технологій. 2016. URL: https://www.irbis-
nbuv.gov.ua/cgi-
bin/irbis_nbuv/cgiirbis_64.exe?C21COM=2&I21DBN=UJRN&IMAGE_FILE_DOWN
LOAD=1&Image_file_name=PDF%2FZTU_2016_3-4_14.pdf&P21DBN=UJRN (дата
звернення: 24.03.2026).
87. Interaction of Laser Radiation (UV) with Materials. Marking and Surface
Modification // Journal of Nano- and Electronic Physics. 2024. Vol. 16, No. 5. URL:
https://irbis-nbuv.gov.ua/cgi-
bin/irbis_nbuv/cgiirbis_64.exe?C21COM=2&I21DBN=UJRN&IMAGE_FILE_DOWN
LOAD=1&Image_file_name=PDF%2Fjnef_2024_16_5_36.pdf&P21DBN=UJRN (дата
звернення: 24.03.2026).
88. Ковальчук Ю. О. Лазерне зміцнення інструментів та деталей машин:
сучасний стан і перспективи // Матеріали та технології в машинобудуванні. 2024.
URL: https://mapiea.kntu.kr.ua/pdf/9%2840%29_I/13.pdf (дата звернення:
24.03.2026).
89. Методичні рекомендації до підготовки, написання та захисту
кваліфікаційної роботи для здобувачів освітнього рівня «магістр» за спеціальністю
131 «Прикладна механіка». Черкаси : ЧДТУ, 2023.
90. ДСТУ 3582:2013. Інформація та документація. Бібліографічний опис.
Скорочення слів і словосполучень в українській мові. Загальні вимоги та правила.
Київ : Мінекономрозвитку України, 2014.