CC BY
26
Zajarnyj Sergej Leonidovich, candidate of technical sciences, texnakon@yandex. ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University Kaluga Branch,
Mokin Dmitriy Gennadievich, candidate of technical science, ded762@,bmail.ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University Kaluga Branch,
Raevskiy Vladimir Alekseevich, candidate of technical science, var- 7 7@,mail. ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University Kaluga Branch,
Vitchuk Pavel Vladimirovich, candidate of technical science, zzz Ventor@yandex. ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University Kaluga Branch
УДК 620.1-1-9
АГРЕГАТЫ ДЛЯ ТАКТИЛЬНОЙ МАРКИРОВКИ
ПОЛИМЕРНЫХ ОБОЛОЧЕК И ЭТИКЕТОК ЛАЗЕРОМ
М.В. Коновалова, А.П. Кондратов
Предложены принципиальные схемы устройств (агрегатов) для лазерной маркировки листовых и рулонных термоусадочных материалов. Описаны действующие макеты агрегатов, изготовленные в натуральную величину. Проведены испытания и проанализированы экспериментальные результаты оценки процессов, протекающих при воздействии лазерного излучения на различные полимерные материалы с памятью формы: термоусадочные плоские и рукавные пленки, этикетки и оболочки. Показаны эффективность функционирования агрегатов и возможности их использования для тактильной маркировки шрифтом Брайля изделий из прозрачных и непрозрачных термопластичных полимеров.
Ключевые слова: процесс дистанционной записи информации на полимерах, лазерный агрегат, рельефно-точечная маркировка Брайля.
Идентификация оригинальной продукции является актуальной проблемой производства товаров массового потребления. Особое значение это имеет для инновационных продуктов, фальсификация которых наносит ущерб производителям и разработчикам изобретений и тем самым тормозит развитие производства. Одним из перспективных приемов защиты от фальсификации и производства контрафактной продукции является тактильная маркировка упаковки и защитных оболочек из термоусадочных полимерных материалов [1]. Тактильная маркировка несет также важную социальную функцию, так как позволяет людям с ослабленным зрением надежно отличать опасные продукты бытовой химии и лекарственные средства по рельефным надписям, сделанным шрифтом Брайля.
57
Необходимость тактильной маркировки существует в современном машиностроении, авиации, кораблестроении и др. видах производства сложной техники, содержащей компактно расположенные коммуникации [2]. Тактильная маркировка позволяет различать и идентифицировать на ощупь кабели и трубопроводы в труднодоступных и недостаточно освещенных местах агрегатов.
Новый способ тактильной маркировки первоначально предполагал использование полиграфического оборудования для горячего тиснения [3], дополненного модернизированным штампом [4], однако расширение области применения и ассортимента полимерных материалов для тактильной маркировки оболочек из термоусадочных пленок обусловливает необходимость разработки высокопроизводительных устройств, бесконтактной и дистанционной маркировки изделий с памятью формы в виде листов и рулонов. Основу инновационного способа тактильной маркировки составляет локальный нагрев узкой линейной или точечной зоны термоусадочного материала в изометрических условиях [5]. Изометрическая термообработка пленки, как показано в [6], изменяет структуру полимера и снижает уровень внутренних напряжений и скорость релаксационных процессов в зоне локального нагрева . Эти изменения обусловливают появление рельефа на пленке или оболочке после ее фиксации на изделии термоусадкой.
Применение лазера для локальной термообработки и маркировки изделий из различных материалов известно [7] и непрерывно совершенствуется по мере развития источников лазерного излучения, появления их более эффективных и компактных вариантов.
В статье представлены устройство агрегатов и исследование основных параметров процесса дистанционной рельефно-точечной маркировки лазерным излучением пленок и изделий из прозрачных и непрозрачных термоусадочных полимерных материалов.
В устройстве для дистанционной тепловой маркировки изделий лазером целесообразно использовать узел излучения, соединенный с блоками управления и питания. Между блоком питания и лазерной головкой необходима установка трансформатора, выполняющего функцию регулятора мощности - интенсивности излучения.
Компоновка агрегата для маркировки плоских изделий (этикеток). Устройство агрегата плоскопечатного типа аналогично устройству лазерного гравера [8] или 3Б-принтера [9].
Процесс маркировки полуавтоматический - подача и съем маркируемого материала производятся вручную. Необходимый режим изометрической термообработки обеспечивается удержанием заготовки (этикетки) на вакуумном столе, покрытом воздухопроницаемой мембраной из термостойкого материала, поглощающего излучение лазерных светодио-дов. Форма рельефа (изображение или буква) задается выбором включенных лазерных диодов. Управление лазерной головкой осуществляется с помощью компьютера, оснащенного специальным программным обеспе-
58
чением. Механическое перемещение маркировочного узла прямолинейное, равномерное, осуществляется при помощи шагового электродвигателя в трех плоскостях (рис. 1).
Рис. 1. Схема маркировочного агрегата плоскопечатного типа: а - вид спереди, б - вид сбоку, в - вид сверху;
1 - вакуумный стол; 2 - вертикальные стойки; 3 - направляющие;
4 - платформа; 5 - лазерная головка
Функционирование маркировочного агрегата осуществляется следующим образом. Вакуумный стол 1, на котором располагается обрабатываемое термоусадочное изделие или лист (этикетка), и вертикальные стойки 2, находятся в неподвижном состоянии. Движение направляющих 3, по вертикальным стойкам позволяет увеличивать и уменьшать интенсивность локальной изометрической термообработки. Платформа 4 движется по направляющим 3 в горизонтальной плоскости для последовательной маркировки заготовки изделия идентичными символами в продольном направлении, а лазерная головка 5 перемещается по платформе 4 для маркировки заготовки изделия идентичными символами в поперечном направлении.
По мере увеличения количества лазерных головок на платформе диапазон их передвижения ограничивается.
59
Возможно оснащение лазерной головки лазерными диодами в количестве, например, шести штук, что заметно облегчит нанесение символов Брайля на обрабатываемый материал, при этом включаются только те диоды, которые образуют заданный символ.
Необходимо учитывать, что существенную роль играют пространственные параметры лазера, то есть размер и форма зоны облучения. В плоскопечатном агрегате целесообразно использовать шаблоны (рис.2), при помощи которых проще учитывать необходимую дисторсию формы изображений будущих элементов тактильного символа, зависящую от анизотропии термоусадочного материала [1].
4
3
/ - 2
Рис. 2. Обработка материала с помощью шаблона (маски): 1 - вакуумный стол; 2 - термоусадочный материал; 3 - шаблон с высеченными отверстиями (4)
Шаблон можно также располагать вблизи фокальной плоскости осветительной системы или укладывать на материал, подвергаемый термообработке на вакуумном столе.
Компоновка узлов агрегата маркировки рулонных оболочек и лент. Конструкция агрегата ротационного типа предназначена для маркировки оболочек и рулонных пленок значительной длины по непрерывной планарной технологии «го11-1о-го11». Агрегат имеет конструкционные элементы, аналогичные элементам конструкций лазерных принтеров (рис. 3). Это относится к таким оптическим элементам, как зеркало и фокусировоч-ная линза. По сути, это методика сканирования поверхности сфокусированным пучком.
Функционирование маркировочного агрегата осуществляется следующим образом: лазерная головка 1, передает излучение (а) на отражающее зеркало 2, которое, в свою очередь, направляет отраженный лазерный луч (а') сквозь фокусировочную линзу 3, проходя через которую, луч (а") приобретает необходимые размеры, форму и концентрацию. Сфокусиро-
60
ванный луч (а") попадает на термоусадочный рулонный материал 6, расположенный на печатном цилиндре с теплопоглощающим покрытием 4. Посредством валов 5 обеспечиваются транзитная функция и натяжение обрабатываемого материала 6, необходимое для термообработки в изометрических условиях.
Рис. 3. Схема импульсного устройства ротационного типа 1 - лазерная головка; 2 - отражающее зеркало; 3 - линза; 4 - печатный цилиндр с теплопоглощающим покрытием; 5 - натяжные валы; 6 - рулонный термоусадочный материал; а - первичный луч лазера; а - отраженный луч лазера; а" - сфокусированный луч лазера
Отражающее зеркало 2 является важным компонентом устройства, т.к. обеспечивает отражение когерентного излучения в нужном направлении. Обычно используются кремневые и молибденовые зеркала, обладающие высокой отражающей способностью, термостойкостью и прочностью
[7].
Фокусировочная линза 3 используется для фокусировки или увеличения площади сечения лазерного луча. Коэффициент пропускания линзы может достигать 99,8 %.
Результаты испытаний действующего макета агрегата для маркировки плоских изделий (этикеток). По данным производителей были определены параметры лазерных излучателей серии DANGER. По экспериментальным данным наиболее подходящим для получения тактильной маркировки был выбран портативный лазерный излучатель синего цвета с длиной волны 450±10 нм, мощностью 1000 мВт, дающий на выходе максимальную температуру 120 0С.
61
Проанализировав полученные экспериментальные данные, выяснили, что большую роль играет цвет изделия или подложки под транспарент-ной термоусадочной пленкой, который значительно меняет время, необходимое для локальной термообработки маркируемого изделия. Чем светлее поверхность, на которой сфокусирован лазерный луч, тем больше света эта поверхность отражает и, как следствие, нагревается меньше и медленнее. Черные поверхности полностью поглощают излучение лазера, и локальный нагрев полимерной пленки происходит существенно быстрее, стоит отметить, что незначительная передержка при термообработке приводит к деструкции полимерного изделия.
Зависимость высоты рельефа от времени термообработки и цвета подложки или изделия приведена в таблице.
Зависимость высоты рельефа от времени термообработки и цвета
подложки или изделия
Материал Время обработки
3 секунды 5 секунд 7 секунд
Высота рельефа
Поливинилхлорид (прозрачен, белая подложка) Рельеф отсутствует Рельеф отсутствует 190-220
Поливинилхлорид (прозрачен, зеленая подложка) 220...305 345-580 Деструкция изделия
Поливинилхлорид (прозрачен, черная подложка) 330...560 Деструкция изделия Деструкция изделия
Соплимер полиэтилена с наполнителем (непрозрачен) Рельеф отсутствует Рельеф отсутствует 470-620
Используя подложки различного цвета, проводили измерение интервала времени, достаточного для прохождения термостимулируемой релаксации напряжений в месте облучения пленки, факт которого оценивали по проявлению рельефа на изделии после его усадки на цилиндрической оправке [10].
Список литературы
1. Коновалова М.В., Кондратов А.П., Бесконтактная запись информации на термоусадочных изделиях // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2017. № 3. С. 3-8.
2. Неразрушающая оценка параметров рельефной маркировки термоусадочных монтажных изделий для авиационной техники / А.П. Кондратов, М.В. Коновалова, Е.П. Черкасов, И.А. Савенкова // Cloud of Science. 2016. T. 3. № 4. С. 625-634.
3. Савенкова И.А., Кондратов А.П., Новые комбинированные способы маркировки упаковок и этикеток, изготовленных из полимерных термоусадочных материалов // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. № 5. 2014. С. 28-34.
4. Черкасов Е.П., Кондратов А.П., Модернизация штампа для локальной термостабилизации пленки с эффектом «памяти формы» // Известия высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. №1. 2015. С. 37-43.
5. Polyvinyl chloride film local isometric heat treatment for hidden 3D printing on polymer packaging / A.P. Kondratov, A.A. Volinsky, Y. Zhang, E.V. Nikulchev // Journal of Applied Polymer Science. 2016. V. 133. № 8. P. 43046.
6. Kondratov A.P., Volinsky A.A., Chen J. Macro-mechanism of polyvinyl chloride shrink sleeves embossed marking // Journal of Applied Polymer Science, 2016. V. 133, № 29. P. 43691.
7. Nur Hidayanti Binti Ambrizal, Awais Farooqi, Osama I. Alsultan, Nukman Bin Yusoff, Design and Development of CNC Robotic Machine Integrate-able with Nd-Yag Laser Device // Procedia Engineering - 2017. P. 145155.
8. An Approach to Building a Specialized CNC System for Laser Engraving Machining / G.M. Martinov, A.I. Obuhov, L.I. Martinova, A.S. Grigo-riev // Procedia CIRP - 2016. V. 41. P. 998-1003.
9. Я. Гибсон, Д. Розен, Б. Стакер / Технологии аддитивного производства / пер. с англ. И. В. Шишковского. М.: Техносфера, 2016. 646 с.
10. Ерофеева А.В., Кондратов А.П., Оценка релаксации локальных напряжений усадки в интервальных полимерных плёнках // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 2. С. 315-323.
Коновалова Мария Васильевна, инж., mvk2317@rambler.ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет,
Кондратов Александр Петрович, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, аpkrezerv@mail. ru, Россия, Москва, Московский политехнический университет
DEVICE FOR NON-CONTACT LASER MARKING, HEAT SHRINKABLE PRODUCTS
M. V. Konovalova, A.P. Kondratov 63
Schematic diagrams of the devices (units) for laser marking sheet and roll heat shrink materials suggested in the article. Working models of the units, made in natural size described. The tests conducted and analysis of experimental results assessment of the processes occurring under the action of laser radiation on various polymeric materials with shape memory: shrink flat and bag film, labels and envelope. The efficiency of the units and the possibility of their use for a tactile marking in Braille the products of transparent and opaque thermoplastic polymers shown.
Key words: remote process of recording information on polymers, laser unit, relief and pointed marking of Braille.
Mariya Konovalova, an engineer, mvk2317@ rambler. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University,
Kondratov Aleksandr Petrovich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, аpkrezerv@,mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 620.173.21
РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНТАКТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
ЦИЛИНДРОВ В ПРЕДЕЛАХ ПЛОЩАДКИ КОНТАКТА В УСЛОВИЯХ ПЕРЕКОСА
Ф.Г. Нахатакян
С использованием ранее предложенного автором метода решения задачи о контакте двух цилиндров при перекосе аналитически определено распределение контактных напряжений в пределах площадки контакта при взаимодействии цилиндров в условиях перекоса.
Ключевые слова: контакт цилиндров, контактные напряжения, задача Герца, перекос осей, пятно контакта.
При расчете нагруженности машин и механизмов, содержащих зубчатые передачи и роликовые опоры, возникает задача о контакте цилиндров с непараллельными осями, обусловленном как погрешностями изготовления и монтажа элементов, так и их упругими деформациями [1]. При этом актуальны как вопрос об определении коэффициента концентрации изгибных напряжений [2] и вопрос о распределении нагрузки в пределах длины 4 пятна контакта (рис. 1).
В настоящей статье расчетным методом определено распределение контактных напряжений в пределах площадки контакта в условиях перекоса, определена также форма пятна контакта.
64
