Wykorzystanie ablacji laserowej w zdobniczym grawerowaniu płytek ceramicznych

Transkrypt

1 Józef Borkowski, Weronika Piestrzyńska-Dziedziejko Wykorzystanie ablacji laserowej w zdobniczym grawerowaniu płytek ceramicznych wprowadzenie Od chwili zbudowania pierwszego polskiego lasera mija dokładnie pół wieku. W tym czasie technika laserowa poczyniła znaczny postęp, a dzięki przyjaznemu oprogramowaniu i automatyzacji procesu obróbkowego zdominowała wiele gałęzi przemysłu. W ostatnich kilkunastu latach przejmuje dominację w obróbce materiałów niemetalowych, poczynając od cięcia tworzyw sztucznych, tekstyliów, po grawerowanie szkła czy ceramiki [1]. Zdobienie ceramiki nadal kojarzy się z długotrwałym procesem ręcznego malowania wzorów i wypalania ich w piecu [2]. Dzięki zastosowaniu obróbki laserowej skraca się czas dekorowania ceramiki, ogranicza zużycie energii, obniża ilość odpadów środowiskowych i, co najważniejsze, uzyskuje się powtarzalność wzorów [3]. Wykorzystanie komputerów i oprogramowania CAD/CAM przyśpiesza znacznie proces projektowania, daje możliwość gromadzenia i przechowywania wszystkich opracowanych aplikacji [4]. Również sięganie w dowolnym czasie do starych grafik nie nastręcza już problemu, a umożliwia modyfikowanie ich do aktualnych potrzeb [5, 6]. Taki rodzaj obróbki daje również możliwość wytwarzania małych partii wyrobów czy nawet wykonywania pojedynczych sztuk na indywidualne zamówienia [7], co do tej pory było bardzo drogie lub wręcz nieopłacalne. Zastosowanie laserowego dekorowania ceramiki w przemyśle wpłynęło również na spotęgowanie prac nad poprawieniem i udoskonaleniem jakości farb wykorzystywanych w tych zabiegach [8]. Barwniki wykorzystywane w laserowym dekorowaniu ceramiki powinny spełniać szereg wymogów mających na celu poprawienie efektu końcowego takiego zdobienia. Należy tu wymienić choćby czynniki zwiększające adsorpcję promieniowania [9]. W latach siedemdziesiątych zaobserwowano zjawisko, które polegało na odparowaniu warstwy wierzchniej obrabianego materiału pod wpływem strumienia fotonów. Takie fotoodrywanie zwane ablacją laserową wykorzystywane do czyszczenia dzieł sztuki [10, 11] czy konstrukcji metalowych może występować w dwóch wariantach na sucho i na mokro [12]. Celem artykułu jest przedstawienie wyników badań dotyczących zastosowania ablacyjnego usuwania cienkich warstw z powierzchni płytek ceramicznych za pomocą lasera molekularnego CO 2. Metoda obróbki powstała po wprowadzeniu kilku modyfikacji sprzętu. Pozwala na intensywniejsze erodowanie powierzchni płytek ceramicznych. Końcowy efekt ich zdobienia grafikami zależy od tego, czy zabieg grawerowania laserowego jest przeprowadzany w warunkach standardowych (na sucho), czy w środowisku wodnym. Dla lepszego zobrazowania uzyskanych różnic wygrawerowane wzory pokrywano barwnikiem pigmentowym nanoszonym ręcznie. Stanowisko i metodyka grawerowania laserowego Stanowisko badawcze (rys. 1) składa się z typowego lasera molekularnego CO 2 o małej mocy (maks. 60 W) typu Laser 500 firmy Prof. dr hab. inż. Józef Borkowski (jozef.borkowski@tu.koszalin.pl), mgr inż. Weronika Piestrzyńska-Dziedziejko Instytut Niekonwencjonalnych Technologii Hydrostrumieniowych, Politechnika Koszalińska Tech-Sol (2) sterowanego komputerem (1) z oprogramowaniem LaserCut 5.3 do tworzenia i wczytywania grafik. W przestrzeni roboczej lasera (2) umieszczono metalowy pojemnik (3) wypełniony wodą w takiej ilości, by po włożeniu do niego płytki podlegającej grawerowaniu przykrywała ją 1 2 mm warstwa wody. Wprowadzenie cienkiej warstwy wody, która w wyniku miejscowego podgrzania przez wiązkę laserową powoduje zwielokrotnienie odrywania się cząstek w wyniku pokonywania sił adhezji na granicy cząstek [12]. Ponadto zamiast standardowej dyszy lasera zastosowano dyszę o regulowanym nadmuchu powietrza, którego intensywność ustalono eksperymentalnie, tak by nie powodowało usuwania całej warstwy wodnej. Za pomocą takiego lasera przeprowadzano badania dwóch rodzajów grawerowania powierzchni płytek ceramicznych z zachowaniem stałej prędkości skanowania równej 40 mm/s, która w tego rodzaju pracach okazała się najbardziej korzystna. W pierwszym ze sposobów wiązka laserowa erodowała płytkę w standardowych warunkach obróbki, a w drugim zastosowano środowisko wodne, jak to zostało zaprezentowane na rysunku 1. W zależności od mocy lasera można sterować efektami obróbki płytki ceramicznej tak, aby z jej powierzchni usuwać jedynie warstwę szkliwa lub (przez zwiększenie mocy wiązki) sięgać do głębszych warstw obrabianego materiału. Na głębokość ablacji wpływają również takie czynniki, jak właściwości obrabianego materiału (a zwłaszcza współczynnik przewodzenia ciepła) czy parametry wiązki laserowej (np. gęstość energii) itp. [13]. Charakterystyka erodowanych mikrocząstek Dla skutecznego prowadzenia procesu laserowego grawerowania powierzchni płytek ceramicznych istotne znaczenie ma znajomość powiązania warunków obróbki z charakterystyką erodowanych cząstek. Podczas obróbki laserowej w środowisku wodnym istnieje możliwość zbadania materiału z usuniętej warstwy wierzchniej, który został erodowany w postaci mikrocząstek o bardzo zróżnicowanej wielkości i kształcie. Typowy kształt takich mikrocząstek nagromadzonych w wodzie przedstawiono na obrazach SEM (rys. 2) uzyskanych za pomocą mikroskopu FEI Quanta 200 Mark II. Mi- Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego: 1 komputer, 2 laser, 3 widok strefy roboczej Fig. 1. Schema of research stand: 1 computer, 2 laser, 3 view of work zone NR 1/2014 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 39

2 Rys. 3. Rozkład wielkości cząstek erodowanych podczas laserowego (60 W) grawerowania glazurowanych płytek ceramicznych w warunkach standardowych Fig. 3. The distribution of particles size eroded during laser engraving process (60 W) of the enameled ceramic tiles realized for standard conditions Rys. 2. Obrazy SEM cząstek pyłu ceramicznego erodowanego podczas grawerowania płytki ceramicznej ściennej laserem CO 2 o mocy 60 W Fig. 2. The SEM images of particles of ceramic dust eroded during engraving process of ceramic tile using CO 2 laser of 60 W laser power Rys. 4. Rozkład wielkości cząstek erodowanych podczas laserowego (60 W) grawerowania glazurowanych płytek ceramicznych w środowisku wodnym Fig. 4. The distribution of particles size eroded during laser engraving process (60 W) of the enameled ceramic tiles realized for water environment conditions krocząstki te w przeważającej liczbie mają kształt kulisty o średnicy od kilku do kilkunastu mikrometrów. Analogiczne efekty uzyskali także inni autorzy [14]. Wyjątek stanowią natomiast ich aglomeraty, które są zwykle dużo większe, ich średnica może mieć nawet około 100 µm. W związku ze znacznym podobieństwem kształtu cząstek erodowanych podczas tradycyjnego grawerowania pominięto w artykule zamieszczenie ich zdjęć. Jedyne różnice między cząsteczkami jakie wystąpiły dotyczyły ich wielkości oraz liczebności występowania kolonii cząstek. W przypadku drobin uzyskanych w metodzie tradycyjnej można było zaobserwować dużą liczbę małych, o owalnym kształcie oraz niewielką, wręcz znikomą liczbę cząstek połączonych w większe bryły. W celu pomiaru wielkości erodowanych cząstek (określonych średnicą opisanego na nich koła a) wykorzystano urządzenie Analyzette 22 Micro Tec Plus. Wyniki badań rozkładu wielkości cząstek erodowanych z płytki ceramicznej, podczas pracy lasera CO 2 o mocy 60 W z zastosowaniem metody tradycyjnej przedstawiono na rysunku 3, natomiast wyniki z grawerowania w środowisku wodnym na rysunku 4. Po przeprowadzeniu analizy rozkładu erodowanych cząstek z płytek ceramicznych tradycyjnym sposobem grawerowania stwierdzono, że 50% cząstek nie przekracza wartości 6,2 µm, natomiast 90% wszystkich erodowanych cząstek jest mniejsza niż 14,9 µm. Identyczne badania pomiaru wielkości cząstek przeprowadzono dla opcji laserowego erodowania płytek ceramicznych w środowisku wodnym [2]. Badania te wykazały, że są one znacznie większe, a ich graniczne wartości wynoszą odpowiednio: 16 µm (dla 50%) i 41 µm (dla 90%). Świadczy to o synergicznym oddziaływaniu erozji laserowej wspomaganej przez gwałtownie powstającą parę wodną powodującą wykruszanie większych cząstek ceramicznych. Skuteczność grawerowania laserowego Odpowiednie sterowanie trajektorią wiązki laserowej pozwala na uzyskanie obrazu wytwarzanego w różnych warunkach grawerowania powierzchni płytek ceramicznych. Przykładowym obiektem tego rodzaju badań może być wygrawerowany obraz przedstawiony na rysunku INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXV

3 a) b) Rys. 5. Grafika wektorowa wygrawerowana laserem CO 2 (o mocy 60 W) na płytce ceramicznej ściennej w warunkach: a) standardowych, b) środowiska wodnego Fig. 5. Vector graphics generated with CO 2 laser (of 60 W) on ceramic wall tiles realized for: a) standard conditions, b) water environment conditions W celu oceny stanu powierzchni wygrawerowanego wzoru płytkę ceramiczną poddawano badaniu profilometrem Talysurf CLI 2000 firmy Taylor Hobson. Topografię powierzchni ze standardowego grawerowania laserowego przedstawiono na rysunku 6, natomiast dla grawerowania w środowisku wodnym na rysunku 7. Różnica parametru chropowatości Sa między takimi warunkami grawerowania laserowego wynosi ponad 13% (3,6 µm). Stwierdzone różnice wynikają ze zmiany mechanizmu erodowania ceramiki wiązką laserową pracującą w środowisku wodnym. W takich warunkach obróbki laserowej gwałtownie powstająca para wodna wspomaga usuwanie większych cząstek materiału podczas grawerowania płytki. Wywołuje to zwiększenie chropowatości obrobionej powierzchni i zmienia jej jakość. Adhezyjność barwnika do obrobionej ceramiki Chropowatość powierzchni uzyskana dzięki prowadzeniu obróbki laserowej w środowisku wodnym jest korzystniejsza. Dzięki temu malowanie ręczne z użyciem barwnika pigmentowego charakteryzuje się zwiększoną jego adhezyjnością do podłoża. Jako przykład Rys. 6. Topografia powierzchni uzyskanej w procesie grawerowania płytki ceramicznej laserem CO 2 (o mocy 60 W) w standardowych warunkach obróbki Fig. 6. Topography of the surface after laser (of 60 W) engraving of ceramic tile realized for standard process conditions Rys. 7. Topografia powierzchni uzyskanej w procesie grawerowania płytki ceramicznej laserem CO 2 (o mocy 60 W) w środowisku wodnym Fig. 7. Topography of the surface after laser (of 60 W) engraving of ceramic tile realized for standard process conditions NR 1/2014 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 41

4 takiego zróżnicowania adhezyjności farby pigmentowej do powierzchni obrobionej laserowo w różnych warunkach mogą posłużyć obrazy przedstawione na rysunku 8. W przypadku grafiki o mniejszej chropowatości (rys. 8a) oba zastosowane barwniki (żółty i brązowy) są matowe i mało wyraziste. Te same kolory wykorzystane do wypełnienia przestrzeni wygrawerowanego obrazka w środowisku wodnym (rys. 8b), odznaczającego się m.in. większą chropowatością, prezentują się zdecydowanie korzystniej pod względem nasycenia kolorystycznego i kontrastu. Szczegółowe badanie profilometryczne, które zostało przeprowadzone dla losowo wybranego obszaru z zakresu całej obrobionej powierzchni wykazało, iż maksymalne wgłębienie powierzchni Sv dla grawerowania w warunkach standardowych wynosi 32 µm, a dla środowiska wodnego jest ono większe o 2,3 µm. Powierzchnia erodowana w środowisku wodnym odznacza się również wzrostem zagęszczenia wierzchołów jej mikronierówności Sds, wynoszącym 15,4 pks/mm 2 oraz zwiększeniem rozwinięcia badanej powierzchni (Sdr = 3,24%). Obserwacje badanych powierzchni przeprowadzono również za pomocą mikroskopu Optica B-350 i kamery Moticam 2000, które pozwoliły potwierdzić pierwotne wyniki uzyskane okiem nieuzbrojonym. Różnice te ukazują obrazy przedstawione na rysunkach 9 i 10. Podczas grawerowania grafiki w warunkach standardowych na powierzchni ceramiki pozostają ślady przemieszczania się wiązki laserowej w postaci równoległych linii prostych wyraźnie widocznych na rysunku 9a, c i rysunku 10a, c. Taki uporządkowany układ śladów obróbki charakteryzuje się regularną i mniejszą chropowatością, co nie sprzyja trwałemu przywieraniu barwnika. W takich warunkach grawerowania widać, że niezależnie od barwy farba a) b) Rys. 8. Grafika wektorowa wygrawerowana laserem CO 2 (o mocy 60 W) na płytce ceramicznej ściennej w warunkach standardowych (a) i w środowisku wodnym (b) po naniesieniu farby pigmentowej Fig. 8. Vector graphics engraved on ceramic tile using CO 2 laser (of 60 W) in standard conditions (a) and in water environment (b) after covering with pigment paint a) pigmentowa przywiera w postaci rzadko występujących, wręcz pojedynczych, niewielkich plamek. Ślady po przejściu wiązki laserowej podczas grawerowania przeprowadzanego w środowisku wodnym są natomiast nieregularb) c) d) Rys. 9. Mikroskopowy obraz barwnika koloru brązowego uzyskany po laserowym (60 W) grawerowaniu płytki ceramicznej w warunkach: a), c) standardowych, b), d) środowiska wodnego Fig. 9. Microscopic brown color image of ceramic tile after laser (60 W) engraftment: a), c) standard conditions, b), d) water environment 42 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXV

5 a) b) c) d) Rys. 10. Mikroskopowy obraz barwnika koloru żółtego uzyskany po laserowym (60 W) grawerowaniu płytki ceramicznej w warunkach: a), c) standardowych, b), d) środowiska wodnego Fig. 10. Microscopic yellow color image of ceramic tile after laser (60 W) engraftment: a), c) standard conditions, b), d) water environment ne i zróżnicowane pod względem wielkości, co ukazują rysunki 9b, d i 10b, d. Intensywne odparowanie niewielkiej warstwy wody występujące podczas takiego grawerowania wspomaga proces erozji ceramiki, powodując nierównomierność i rozwinięcie obrobionej powierzchni, odznaczającej się przez to większą chropowatością. Taka struktura powierzchni płytki wpływa korzystnie na przywieranie barwnika, co objawia się liczniejszymi jego kleksami o różnej wielkości, wyraźniej widocznymi na ilustracjach. Jest to istotne nie tylko ze względów estetycznych, lecz przede wszystkim ma znaczenie dla adhezyjności zastosowanego barwnika. Potwierdzają to próby zarysowania warstwy barwnika wskazujące, że siła jego przywierania do powierzchni ceramiki grawerowanej laserem w środowisku wodnym jest około dwukrotnie większa od analogicznej siły występującej dla powierzchni obrobionej wiązką laserową w warunkach standardowych. Jeszcze większe różnice stwierdzono na podstawie prób mechanicznego usuwania barwników z takich właśnie powierzchni. Efekty dekoracyjnego zdobienia ceramiki Zaproponowana w pracy metoda grawerowania laserowego pozwala finalnie uzyskać na ceramice wielobarwną grafikę. Przykładem takiego zdobienia dekoracyjnego może być obraz ceramicznej płytki ściennej przedstawiony na rysunku 11. Korzyści wynikające z zastosowania ablacji laserowej zostały wykorzystane w dekoracyjnym zdobieniu ceramiki z zastoso- Rys. 11. Wielobarwna grafika wektorowa naniesiona na ceramiczną płytkę ścienną z użyciem grawerowania laserowego Fig. 11. Multicolor vector graphics engraved on wall ceramic tile using laser method NR 1/2014 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 43

6 waniem ogólnie dostępnych farb. Na tym etapie prac otrzymane, wyżłobione w ceramice grafiki zostały pomalowane ręcznie z wykorzystaniem barwnika pigmentowego. Uzyskane efekty stanowią dobrą podstawę do przeprowadzenia eksperymentów z całą gamą barwników stosowanych w profesjonalnych technologiach [4, 15, 16]. W zależności od zastosowanej metody nanoszenia barwnika na powierzchnię ceramiczną materiał barwny ma odmienne właściwości i skład chemiczny [17, 18]. Podsumowanie W artykule przedstawiono wyniki badań, w których wykorzystano ablację laserową prowadzoną w środowisku wodnym dla zintensyfikowania erozji powierzchni płytek ceramicznych w procesie ich zdobniczego grawerowania. Przeprowadzono analizę kształtu i morfologii cząstek powstających podczas laserowego grawerowania powierzchni płytek ceramicznych, a przede wszystkim analizy rozkładu ich frakcji wymiarowych powstających w różnych warunkach tego rodzaju obróbki. Przeprowadzono również mikroskopowe obserwacje wytwarzanych powierzchni. Pozwoliło to stwierdzić zróżnicowanie charakteru śladów poobróbkowych, w tym zwłaszcza niejednorodność śladu przejścia wiązki laserowej w środowisku wodnym. Wykonane badania profilometryczne potwierdziły większą chropowatość powierzchni w przypadku obróbki laserowej w środowisku wodnym niż w przypadku tradycyjnego grawerowania. Specyficzna morfologia uzyskanej powierzchni, mimo niewielkiego wzrostu chropowatości (3,6 μm), korzystnie wpływa na adhezyjność farby pigmentowej do podłoża. Ocena oddziaływania takiego sposobu laserowego grawerowania ceramiki, zastosowanego w procesie nanoszenia dekoracyjnych zdobień na powierzchnię wyrobów ceramicznych, okazała się korzystna. Wyniki dotychczasowych badań stanowią podstawę do przeprowadzania technologicznych prób optymalizujących warunki obróbki laserowej w środowisku wodnym dla każdego rodzaju substancji barwiących używanych do zdobień materiałów ceramicznych. LITERATURA [1] Oczoś K.: Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej. Rzeszów (1996) 426. [2] Awgustnik A. J.: Ceramika. Warszawa (1980) [3] Chmielewska D., Gebel R., Marczak J., Olszyna A., Sarzyński A., Strzelec M., Synowiec B.: Laserowa dekoracja wyrobów ceramicznych. Szkło i Ceramika 62 (2011) [4] Sarzyński A., Chmielewska D., Gebel R., Marczak J., Olszyna A., Strzelec M., Traczyk S.: Laserowe nanoszenie mineralnych warstw barwnych na podłoża ceramiczne. Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 256 (2012) [5] Chu C. K., Gay R., Hoheisel W.: Computer aided decoration of ceramic tableware. Part I: 3-D decoration. Computers & Graphice 21 (5) (1997) [6] Chu C. K., Gay R., Hoheisel W.: Computer aided decoration of ceramic tableware. Part II: Rapid tooling. Computers & Graphice 21 (5) (1997) [7] Chmielewska D., Gebel R., Marczak J., Olszyna A., Sarzyński A., Strzelec M., Synowiec B.: Metodyka badań w inżynierii procesowej laserowej dekoracji porcelany: Część I badania profilometryczne. Inżynieria Materiałowa 5 (183) (2011) [8] Sarzyński A., Chmielewska D., Marczak J., Olszyna A., Strzelec M., Szamałek K.: Aktywacja pigmentów ceramicznych za pomocą promieniowania laserowego. Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 256 (2012) [9] Chmielewska D., Gebel R., Marczak J., Olszyna A., Sarzyński A., Strzelec M., Synowiec B.: Analiza zjawisk zachodzących w procesie laserowego zdobienia wyrobów porcelanowych. Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials 63 (3) (2011) [10] Ciupiński Ł., Onyszczuk T., Garbacz H., Marczak J., Koss A., Kurzydłowski K. J.: Metody inżynierii materiałowej w diagnostyce czyszczenia laserowego metalowych dzieł sztuki. Inżynieria Materiałowa 3 (2011) [11] Marczak J.: Metody kontroli grubości warstw wierzchnich usuwanych podczas ablacji laserowej. Inżynieria Materiałowa 3 (2011) [12] Burakowski T., Marczak J., Napadłek W.: Istota ablacyjnego czyszczenia laserowego materiałów. Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 228 (2006) [13] Sola D., Escartin A., Cases R., Pena J. I.: Laser ablation of advanced ceramics and glass-ceramic materials: Reference position dependence. Applied Surface Science 257 (2011) [14] Oliveira V., Vilar R., Conde O.: Excimer laser ablation of Al 2 O 3 -TiC ceramics: laser induced modifications of surface topography and structure. Applied Surface Science (1998) [15] dostęp r. [16] dostęp r. [17] Chmielewska D., Synowiec B., Olszyna A., Marczak J., Sarzyński A., Strzelec M.: Migration of elements in colour layers deposited on a ceramic substrate under the influence of laser treatment. Physics Procedia 5 (2010) [18] Klocke F., Derichs C., Ader C., Demmer A.: Investigations on laser sintering of ceramic slurries. Prod. Eng. Res. Devel. 1 (2007) INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXXV