ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ЛАЗЕРНОЙ МАРКИРОВКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА МЕТОДОМ ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Лазерная маркировка - перспективный и динамично развивающийся технологический процесс. Прогресс в электронике и программных продуктах существенно повышает его конкурентоспособность по сравнению с традиционными методами вследствие дополнительных графических и технологических возможностей. Появление новых типов мощных лазеров позволяет создавать компактные установки, удобные для пользователя.

Это простая процедура, надежная технология со стойким результатом. Лазерная маркировка металла позволяет быстро создавать долговечные и качественные результаты маркировки металла с исключением возможности порчи исходного материала. Для создания маркировки на металлических материалах и изделиях используются мощные волоконные лазеры. Одним из способов маркировки деталей является применение Qr-кодов. [1, 2]

Объектом изучения в данной статье является нанесение Qr-кода на металлические поверхности с помощью лазерной маркировки, предметом – оптимизация параметров режима лазерной маркировки с целью получения максимального контраста.

Маркировка в виде Qr-кода наносилась на алюминий Д16 (химический состав в соответствии с ГОСТ 4784–97).

Работа осуществлялась на прецизионном маркере с повышенными скоростными и качественными характеристиками с импульсным волоконным лазером МиниМаркер 2-20А4. [3]

Для оптимизации режимов маркировки было выполнено дробное планирование эксперимента с дублированием центра плана вида 2^8-4. [4]

За нулевой уровень планирования были взяты режимы нанесения подложки и кода, представленные в табл. 1. Параметры линеатура и длительность импульса были взяты одинаковыми в обоих случаях. Парные корреляции были установлены между: х₁×х₃ºх₅, х₁×х₄ºх₆, х₂×х₃ºх₇, х₂×х₄ºх₈. Подложка формировалась за 2 прохода, код наносился за один проход.

Таблица 1

Параметры лазерной маркировки основногоуровня

Затем были выбраны интервалы варьирования, представленные в табл. 2.

Дробный факторный эксперимент вида 2^8-4 помог минимизировать количество опытов до 16 вместо 256.

Таблица 2

Уровни варьирования факторов

На основе табл. 2 формируется план реализации эксперимента по значениям которой в случайном порядке было проведено 21 опыт, из них 5 опытов дублировались в центре плана.

По полученным параметрам был реализован ряд опытов: вначале нанесение подложки, затем нанесение Qr-кода (рис. 1) для лучшего контраста нанесенного изображения. Qr-код содержит зашифрованную информацию следующего содержания: «Изучение материаловедения позволяет осуществить рациональный выбор материалов для конкретного применения. Наука о металлах все ближе подходит к тому состоянию, когда можно будет с использованием компьютеров прогнозировать и рассчитывать с достаточной точностью свойства новых уникальных сталей и сплавов» [5].

Рисунок 1. Qr-код, 25×25 мм

На рис. 2 представлены контрастные коды, получившиеся при изменении параметров лазерной маркировки. Для изучения микроструктуры использовался микроскоп Leica DM ILM HC с подключенной к нему камерой, позволяющей сделать снимки поверхности.

Рисунок 2. Qr-коды образцов 13 и 03с высокой контрастностью

Для изучения поверхности образца после нанесения маркировки было применено увеличение в 5 и 20 раз (рис. 3(а)). Меньшее увеличение позволило увидеть общую картину расположения борозд от проходов лазера, рельеф поверхности. Поскольку код и подложка находятся на разной высоте, фокусировка была сначала на коде, затем на подложке (рис. 3(б))

 а)                                                               б)

Рисунок 3. Граница подложки и кода образца 6: а) ×5; б) ×20

Функцией отклика был выбран показатель контрастности изображения, для его нахождения необходимо было провести аналитическую работу с полученными образцами лазерной маркировки кодов. С помощью программы Photoshop CS6 были оценены цветовые показатели подложки и нанесенного на нее кода (табл. 3).

Расчет контрастности (функции отклика) для дальнейшего планирования эксперимента производится по следующей формуле:

,

где: В₁ - показатель фона изображения (RGB подложки); В₂ - показатель изображения (RGB маркировки).

По данным расчетам получаем, что самыми оптимальными маркировками являются Qr-коды опытов 6 и 13 с контрастностью 0,55-0,56.

После проведения оценки статистической значимости по критерию Стьюдента полученных значений контрастности и проверки адекватности полученной модели по критерию Фишера уравнение функции отклика модели имеет следующий вид:

Y = 0,475 – 0,036x₇ + 0,028x₈.

Таблица 3

Показатели RGB

Полученная модель является адекватной. Из рассчитанных коэффициентов значимыми являются только х₇ºх₂×х₃ и х₈ºх₂×х₄, остальные коэффициенты уравнения не значимы. С учетом величины коэффициентов, наибольшее влияние оказывает мощность лазера при нанесении подложки х₇, а затем мощность лазера при нанесении кода. х₈. С учетом знака для увеличения контраста изображения мощность лазера при обработке подложки нужно уменьшать, а при нанесении кода – увеличивать. С учетом линейной корреляции на контраст оказывают влияние высокая скорость нанесения кода при снижении линеатуры и увеличении длительности импульса.

Максимальный контраст был получен на образцах 6, 13.

Выводы

1. Применение метода планирования эксперимента позволило получить оптимальный режим лазерной маркировки для алюминиевого сплава Д16 c контрастом 0,55-0,56.
2. Из полученного уравнения следует, что наибольшее влияние оказывает мощность лазера. Для увеличения контрастносчти изображения мощность лазера при обработке подложки нужно уменьшать, а при нанесении кода – увеличивать.
3. На контрастность Qr-кода оказывают влияние высокая скорость нанесения кода при снижении линеатуры и увеличении длительности импульса.

Список литературы:

1. Пряхин Е.И., Захаренко Е.А., Кончус Д.А., Сивенков А.В. Лазерная маркировка нанобар-кодом. «Профессиональное образование, наука, инновации в XXI веке»: сборник трудов VIII Санкт-Петербургского конгресса 24-25 октября 2014 г. – СПб: РИЦ НМСУ «Горный», 2014. – С. 186-188.
2. Sivenkov A., Konovalov K., Zverkova E. Influence laser marking on structure and properties steel//International Scientific Review. 2016. – № 11 (21). – С. 38-40.
3. Лазерный центр [Электронный ресурс]//Лазерное оборудование. URL: http://www.newlaser.ru/laser/lc/minimarker2.php (дата обращения: 19.05.17)
4. Горский, В.Г. Планирование промышленных экспериментов (модели динамики) /В.Г Горский, Ю.П. Адлер, A.M. Талалай. – М.: Металлургия, 1987, – 112 с
5. Солнцев, Ю.П. Материаловедение: учебник для вузов/Ю.П. Солнцев, Е.И. Пряхин; под ред. Ю.П. Солнцева. – Изд. 4-е, перераб. и доп. – СПб: Химиздат, 2007. – 783 с