FARBY DO ZDOBIENIA CERAMIKI

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "FARBY DO ZDOBIENIA CERAMIKI"

Ryszard Łukasz Mazurkiewicz
8 lat temu
Przeglądów:

1 FARBY DO ZDOBIENIA CERAMIKI TECHNIKĄ LASEROWĄ Dr inż. Danuta Chmielewska Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych Zakład Środków Zdobniczych Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego i Budżetu Państwa

Budowlanych Zakład Środków Zdobniczych Projekt

2 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

3 Lasery znajdują coraz szersze zastosowanie w metodach obróbki powierzchniowej ciał stałych i stosowane są już obecnie w wielu procesach, od precyzyjnego nakładania dostarczonych osobno materiałów proszkowych i znakowania powierzchni, poprzez czyszczenie przemysłowe dzieł sztuki, cięcie i dekorację szkła, znakowanie i cięcie metali. Znakowanie laserowe charakteryzuje się wysoką jakością, trwałością i powtarzalnością, wysoką rozdzielczością obrazu, brakiem kontaktu narzędzia z powierzchnią, czystością i elastycznością procesu(programowanie). Technika laserowa zapewnia kontrolowane zmiany temperatury idealnie odpowiadające potrzebom wypalenia określonych wzorów powierzchniowych i znaków. Przykłady zastosowań techniki laserowej:

Znakowanie laserowe charakteryzuje się wysoką jakością, trwałością i powtarzalnością, wysoką rozdzielczością obrazu, brakiem kontaktu narzędzia z powierzchnią, czystością i

4 CZYSZCZENIE PRZEMYSŁOWE cleaning.wmv

5 Konwencjonalne cięcie materiałów ceramicznych i szklanych realizowane jest zazwyczaj przy użyciu narzędzi diamentowych. Choć w wyniku otrzymuje się dobrą jakość powierzchni, prędkość cięcia jest niewielka, na poziomie pojedynczych centymetrów na minutę. Cięcie laserowe wykonywane jest z prędkością powyżej 1 m/min. Usuwanie materiału zachodzi przeważnie poprzez odparowanie. Nacinanie laserowe powoduje z kolei powstanie w materiale rys o grubości 20 do 100 mikronów, pozwalających na jego łatwe i dokładne separowanie. Nie powoduje mikropęknięć, a niewielka ilość usuwanego materiału daje duże szybkości procesu (do 10 cm/s). CUTTING.wmv

Cięcie laserowe wykonywane jest z prędkością powyżej 1 m/min. Usuwanie materiału zachodzi przeważnie poprzez odparowanie.

6 Ze względu na dużą twardość i kruchość materiałów ceramicznych i szklanych, konwencjonalna obróbka mechaniczna lub ultradźwiękowa jest kosztowna i czasochłonna. Zalety obróbki laserowej: ostrość powstających krawędzi i mała chropowatość krawędzi, brak mikro-pęknięć 3D_GLASS.wmv wysoki stopień automatyzacji procesów i duża precyzja pozycjonowania brak odkształceń materiału duże szybkości procesów możliwość obróbki poprzez inny materiał lub wewnątrz danego, transmisyjnego materiału możliwość obróbki materiałów przed i po wypalaniu

Zalety obróbki laserowej: ostrość powstających krawędzi i mała chropowatość krawędzi, brak mikro-pęknięć 3D_GLASS.

7 Spawanie Spawanie laserowe umożliwia trwałe i dobre jakościowo łączenie bardzo różnych materiałów, nieosiągalne lub trudne do osiągnięcia metodami konwencjonalnymi. Proces ilustruje film i zdjęcie próbek połączeń. WELDING.wmv

nieosiągalne lub trudne do osiągnięcia metodami

8 Do chwili obecnej nie ma informacji o wdrożeniu w Europie techniki laserowej w technologii zdobienia ceramiki. Proces zdobienia lub znakowania ceramiki w skali przemysłowej polega na naniesieniu dekoracji farbą ceramiczną na gotowy wyrób i następnie utrwaleniu tej farby w procesie wypalania. Stosowane powszechnie techniki nanoszenia dekoracji to kalka ceramiczna, natrysk, sitodruk bezpośredni i malowanie ręczne, przy czym istnieje coraz więcej zautomatyzowanych procesów [1,2] Konwencjonalny proces dekoracji i znakowania farbami ceramicznymi jest czasochłonny i bardzo energochłonny. Energochłonność procesów związana jest z wypalaniem wyrobów w wysokich temperaturach. [1.] H.G Pfander, Schott Guide to Glass. London: Chapman and Hall, 1996 [2.] Bopp, A.Glass and ceramic decorating options. Ceram.Ind., 150(7), 34-37, 2000.

Stosowane powszechnie techniki nanoszenia dekoracji to kalka ceramiczna, natrysk, sitodruk bezpośredni i malowanie ręczne, przy czym istnieje coraz więcej zautomatyzowanych procesów [1,2]

9 W poszukiwaniu metod obniżenia energochłonności i kosztów produkcji ceramiki stołowej Zakład Środków Zdobniczych Instytutu Ceramiki i Materiałów Budowlanych we współpracy z Instytutem Optoelektroniki WAT podjął tematykę opracowania farb ceramicznych do zdobienia ceramiki z zastosowaniem techniki laserowej. Zastąpienie tzw. trzeciego wypału w piecu elektrycznym przez stapianie środków barwnych wiązką laserową stwarza możliwości znacznego ograniczenia zużycia energii, czasu procesu oraz ilości odpadów środowiskowych [3,]. [3.]Fernandes-Pradas J.M, Restrepo J.W., Go mez M.A., Serra P., Morenza J.L., Laser printing of enamels on tiles. Applied Surface Sciece 253 (2007)

trzeciego wypału w piecu elektrycznym przez stapianie środków barwnych wiązką laserową stwarza możliwości znacznego ograniczenia zużycia energii, czasu procesu oraz

10 Łatwość programowania komputerowego ruchu wiązki laserowej w połączeniu z rosnącą dostępnością stosunkowo tanich przemysłowych laserów średniej i dużej mocy umożliwia stosowanie tej metody w przypadku jednostkowych wyrobów lub krótkich serii różnorodnych dekoracji dostosowanych do potrzeb indywidualnego klienta. Laboratorium Instytutu wyposażone jest w laser włóknowy Yb:YAG ciągłego działania o mocy maksymalnej 100W, pracujący na długości fali 1090nm. oraz laser CO 2 o mocy maksymalnej 40W. Oba lasery wyposażone są w głowice skanujące

dostosowanych do potrzeb indywidualnego klienta.

11 Materiał badawczy do badań wstępnych stanowiło 19 farb ceramicznych aktualnie wytwarzanych w ICiMB w Warszawie, zawierających w swoim składzie bazę topnikową z udziałem ołowiu lub bazę bezołowiową i nieorganiczne pigmenty syntetyczne z udziałem takich pierwiastków jak Cr, Co, Fe, Pr, Pb, Mn, Sb, oraz 9 bezołowiowych szkieł barwnych opracowanych na potrzeby projektu. Podłożem, na które nanoszono badane środki barwne były białe talerze porcelanowe. Naniesione farby i szkła poddano działaniu promieniowania laserowego. Przeprowadzone testy wykluczyły wykorzystanie laserów impulsowych, ponieważ ich działanie polegało głownie na odparowaniu wierzchniej warstwy środka barwnego.

opracowanych na potrzeby projektu. Podłożem, na które nanoszono badane środki barwne były białe talerze porcelanowe.

12 Proces obróbki laserowej powinien z kolei spełniać kilka wymogów warunkujących jego przydatność w praktycznym procesie zdobienia ceramiki: Środek zdobniczy musi trwale związać się z podłożem w wyniku podgrzania przez promieniowanie laserowe; Znakowanie powinno nadać określony kolor środka zdobniczego; Powierzchnia oznakowanego obszaru powinna być gładka i błyszcząca. Jednoczesne spełnienie tych wszystkich kryteriów jest zadaniem trudnym zarówno technologicznie jak i ze względu na optymalizację parametrów urządzenia laserowego.

nadać określony kolor środka zdobniczego; Powierzchnia oznakowanego obszaru powinna być gładka i błyszcząca.

13 W badaniach z zastosowaniem laserów ciągłego działania przy odpowiednim doborze parametrów wiązki uzyskano trwałe zespolenie środka barwnego z podłożem dla każdej wytypowanej farby i szkła z wyjątkiem farby żółtej zawierającej prazeodym (Pr)

zespolenie środka barwnego z podłożem dla każdej wytypowanej

15 Parametr I=P/v, będący ilorazem mocy wiązki laserowej do prędkości skanowania, jest proporcjonalny do energii promieniowania padającego na dany punkt linii. Zatem parametr I jest głównym czynnikiem wpływającym na temperaturę stopionego pigmentu i podłoża. Można powiedzieć, że temperatura stopionego materiału jest wprost proporcjonalna do parametru I. Jednak na temperaturę stopionego materiału wpływają także inne czynniki. Jest to przede wszystkim współczynnik absorpcji pigmentu. W przypadku jednego pigmentu powstałe linie są szerokie i dobrze przylegają do podłoża, w innym słabe, wreszcie w jednym przypadku promieniowanie w ogóle nie wywarło żadnego działania na pigment.

Można powiedzieć, że temperatura stopionego materiału jest wprost proporcjonalna do parametru I. Jednak na temperaturę stopionego materiału wpływają także inne czynniki.

16 . Podczas znakowania talerzyki były umieszczane w trzech różnych odległościach d od soczewki, co powodowało zmianę średnicy wiązki laserowej naświetlającej skanowaną linię, a przez to zmianę temperatury stopionego materiału (przy tej samej mocy wiązki). Zatem o wyniku znakowania decyduje zarówno moc wiązki laserowej jak i prędkość skanowania. W zależności od odległości d materiału naświetlanego od soczewki (odległość zmienia średnicę wiązki laserowej, a przez to zmianę temperatury stapianego materiału), mocy i prędkości skanowania otrzymywano na podłożu ceramicznym linie barwne, głęboko wtopione, przy wysokich poziomach gęstości mocy występowało nawet żłobienie podkładu ceramicznego.

W zależności od odległości d materiału naświetlanego od soczewki (odległość zmienia średnicę wiązki laserowej, a przez to zmianę temperatury stapianego materiału), mocy i

17 W zależności od barwy i składu farby lub szkła, gęstości energii wiązki laserowej padającej na dany punkt, wyrażonej ilorazem P/v zawierały się w przedziale od 0,25 do 40 J/mm. Tę samą gęstość można osiągnąć przy różnych mocach wiązki lasera. Zatem o wyniku znakowania decyduje zarówno moc wiązki laserowej jak i prędkość skanowania. W kolejnych badaniach zawężono kolorystykę środków barwnych do barwy niebieskiej, czarnej, zielonej i brązowej zarówno w postaci farby jak i szkła barwnego. Jako perspektywiczne środki barwne uznano zarówno farby ceramiczne jak i szkła barwne nanoszone w postaci pasty. Podłożem do dalszych badań nakładania znaków barwnych były poszkliwione i wypalone talerze porcelanowe ZPS Lubiana i ZPS Karolina oraz szkliwione płytki ceramiczne.

W kolejnych badaniach zawężono kolorystykę środków barwnych do barwy niebieskiej, czarnej, zielonej i brązowej zarówno w postaci farby jak i szkła barwnego.

18 Kryterium oceny powierzchni było równomierne rozłożenie barwy i gładkość powierzchni dekorowanej oceniane organoleptycznie. Za najlepsze uznano środki barwne utrwalane przy dużych prędkościach i niskich mocach. Powierzchnia zdobiona była gładka, jedwabisty mat, rodzaj wtopienia wszkliwnego, barwa jednorodna na całej powierzchni. Z przeprowadzonych badań wynika, że dla każdego środka barwnego należy ustalić optymalne parametry procesu naświetlania. Wynika to z różnicy zdolności absorpcji promieniowania laserowego przez poszczególne środki barwne. Każda zmiana tych parametrów spowoduje zmianę odcienia barwy i będzie miała wpływ na jakość powierzchni.

Powierzchnia zdobiona była gładka, jedwabisty mat, rodzaj wtopienia wszkliwnego, barwa jednorodna na całej powierzchni.

19 Pozytywne wyniki aplikacji laserem włóknowym uzyskano dla wytworzonych środków barwnych przy nałożeniu na podłoże porcelanowe

20 Grafika wektorowa na wypalonej płytce ceramicznej

21 Grafika wektorowa na kaflu ceramicznym

22 Specyficzne farby i szkła barwne do dekorowania wyrobów ceramicznych z wykorzystaniem techniki laserowej L.p. Farba Ocena powierzchni po procesie oddziaływania promieniowania laserowego gładkość barwa jednorodność Uwagi pow X-Z BZ1+Ag BZ1+Ag metalik CZ HCZ MG SPK1+Ag B MG MS MS MS ZL

23 Podsumowanie Wykonane badania aplikacyjne potwierdziły możliwość zdobienia różnych podłoży ceramicznych w krótkim czasie, w dowolnej ilości. Aktualnie dostępne kolory środków barwnych: zielony (3 odcienie),czarny, kobaltowy, brązowy, złoty (bez udziału złota)

24 Dziękuję za uwagę

Podobne dokumenty

Instrukcja "Jak stosować preparat CerMark?"

Instrukcja Jak stosować preparat CerMark? Instrukcja "Jak stosować preparat CerMark?" Co to jest CerMark? Produkt, który umożliwia znakowanie metali w technologii laserowej CO 2. Znakowanie uzyskane w technologii CerMark charakteryzuje idealna