G-LAS Innowacyjna technologia barwnego, laserowego zdobienia szkła płaskiego środkami ceramicznymi Wykonawcy projektu: Lider- ICiMB i Partner Ceramika Tubądzin SA tworzą Konsorcjum Naukowo-Przemysłowe Laserkolor Eksperci Laboratorium Zastosowań Laserów IOE WAT
AGENDA Informacje o projekcie Wydarzenia, targi, konferencje Omówienie realizacji projektu Program i źródła finansowania Publikacje, prezentacje Kontakt
CEL PROJEKTU Celem projektu jest wprowadzenie techniki laserowej do procesu barwnego zdobienia szkła płaskiego z wykorzystaniem krajowych, ceramicznych środków barwnych.
NOWA technologia dekoracji szkła Eliminuje proces przygotowania określonej kolorystyką dekoracji ilości sit oraz tradycyjny proces wypalania Zmniejsza znacznie powierzchnię produkcyjną. Daje możliwości obniżki kosztów produkcji i usprawnienie procesów technologicznych Umożliwia szybkie wzbogacanie wzornictwa, a tym samym rozszerzanie asortymentu, szczególnie na wyrobach typu listwy i płytki szklane Możliwość szybkiego dostosowywania do zmieniających się wymogów odbiorcy
Technologia laserowego stapiania środków barwnych z podłożem szklanym wymaga opracowania czterech podstawowych elementów procesu składu środków barwnych kompatybilnych z zakresem parametrów pracy wybranego lasera konfiguracji programu kontrolującego pracę systemu laserowego na potrzeby użytkownika tej technologii 1 4 2 warunków nanoszenia środków barwnych 3 parametrów pracy lasera dla wybranej kolorystyki
Wynikiem końcowym przedsięwzięcia jest całkowicie nowa, oszczędna i pro-ekologiczna technologia wypalania barwnych dekoracji szkieł.
WYDARZENIA Warszawa Nano and Advanced Materials Workshop and Fair NAMF 2013, a satellite event of the EMRS Fall Meeting 16-19 September 2013 r., Warsaw Session - Best Polish Research Projects in Nanotechnologies and Materials. Laser decoration an marking of ceramic and glass products.
WYDARZENIA Warszawa VIII Międzynarodowa Konferencja Naukowo -Techniczna Ceramika Polska 2014 7-10 września 2014 r., Kraków, Czynniki wpływające na jakość powierzchni barwnych farb ceramicznych utrwalanych techniką laserową na podłożu szklanym. Kraków
WYDARZENIA Inżynieria Powierzchni 2014 Warszawa 7-10 Wrzesień 2014 r., Wisła-Jawornik Metody dekoracji wyrobów ceramicznych i szklanych za pomocą promieniowania laserowego. Wisła - Jawornik Kraków
WYDARZENIA Warszawa POOMT 2014 Promieniowanie optyczne, oddziaływanie, metrologia, technologie Baranów Sandomierski, 28-30 maja 2014. r. Utrwalanie warstw barwnych na podłożach szklanych za pomocą promieniowania laserowego. Wisła - Jawornik Kraków Baranów Sandomierski
WYDARZENIA Legnica Warszawa IV Polska Konferencja Optyczna 2015 28.06 2.07.2015 r., Legnica Efekty laserowego utrwalania barwnych warstw ceramicznych na powierzchni szkła, naświetlanych bezpośrednio i przez warstwę szkła. Wisła - Jawornik Kraków Baranów Sandomierski
ZADANIE nr 1 Badania ceramicznych materiałów zdobniczych i warunków procesu ich laserowego stapiania z podłożem szklanym Aparatura wykorzystywana do badań System lasera włóknowego SP-100C-0020 firmy SPI Lasers o mocy do 100 W i długości fali 1070 nm, ze skanerem galwanometrycznym RLC 1004 System lasera włóknowego GLPM 10 SPI, o mocy do 10W i długości fali 532 nm, ze skanerem galwanometrycznym MS10 D1 Elektronowy mikroskop skaningowy Philips XL-30/LaB6 z sondą EDS Profilometr (stożek diamentowy) TOPO 01P v3d z kształtografem TOPO 01K v3d Laserowy analizator wielkości cząstek Mastersizer Microplus
MATERIAŁY DO BADAŃ farby ceramiczne na bazie topników ołowiowych i bezołowiowych, zawierające związki kobaltu, chromu, żelaza, selenosiarczek kadmu i siarczek kadmu o określonym WRC i parametrach rozkładu ziarnowego Podłoże dla farb - szkło płaskie float, stosowane aktualnie w Zakładzie Ceramika Tubądzin II Dla określenia przedziałów użytecznych zmian dawki energii laserowej (P- moc/v-prędkość skanowania [J/mm]) korzystano z szablonu utrwalanych jednakowych kwadratów.
i Przyjęto, że chropowatość, przy braku pęknięć, jest decydującym parametrem określającym jakość otrzymywanych powierzchni farbowych po naświetlaniu laserami. Oceniano tylko dwa podstawowe parametry chropowatości: Ra i Rz Ra definiujący średnie arytmetyczne odchylenie profilu chropowatości. Wartość tego parametru wyliczamy z wartości bezwzględnych odchyleń profilu y od linii średniej m w przedziale odcinka elementarnego l. Rz określający wysokość nierówności profilu powierzchni wg 10 punktów. Do obliczenia wykorzystuje średnią arytmetyczną wartości bezwzględnych wysokości pięciu najwyższych wzniesień i głębokości pięciu najniższych wgłębień profilu w przedziale odcinka elementarnego l. Przedmiotem badań na wstępie były farby o jednakowej koncentracji, naniesione na podłoże aerograficznie
Porównawcze badania utrwalania laserowego laserem IPG 532nm i laserem SPI 1070 nm System IPG 532nm [ICiMB] System SPI 1070 nm [IOE WAT] Analizę ograniczono do 6-ciu próbek, dla których uzyskano trwałą przyczepność farby przy użyciu lasera SPI. Przy maksymalnie unormowanych warunkach geometrycznych procesu, dla wszystkich porównywanych rodzajów środków barwnych, lepsze wyniki utrwalania laserowego uzyskano przy użyciu lasera zielonego IPG. Dotyczy to przede wszystkim: gładkości powierzchni, średnio dwukrotnie mniej chropowatej; mniejszej, optymalnej wartości dawki energii. Symbol farby P/v opt.[j/mm] Ra [µm] Rz [µm] P/v opt.[j/mm] Ra [µm] 6FS 2413 J 0,0114 3,54 20,81 0,60 7,98 44,40 6FS 2844 Z 0,0114 3,64 17,10 0,05 7,22 33,50 62H-Cz1 0,0114 2,98 23,33 0,02 6,31 38,02 6FS1712R 0,0114 2,63 15,39 0,06 2,94 18,22 62H-N13 0,0114 3,17 16,40 0,025 12,0 47,86 62H-Z3 0,0114 2,58 11,96 0,025 8,81 41,92 Rz [µm] Tabela 1. Parametry powierzchni uzyskane przy zastosowaniu Systemu IPG 532 nm i Systemu SPI 1070 nm
Zdjęcia mikroskopowe 3D Laser IPG 532 nm P/v = 0.02 J/mm Laser SPI 1070 nm P/v = 0.02 J/mm przedstawiają powierzchnie kształtów utrwalonych przy użyciu obu systemów: o długości fali 1070 nm i 532 nm, w warstwach farby 62HCz1. Przy porównaniu przyjęto optymalne dla obu systemów dawki energii, niestety znacznie różniące się wartościami ze względu na wyżej wymienione różnice fizyczne i geometryczne. W przypadku lasera SPI 1070 nm, dawka 0.02 J/mm nie powodowała żadnych efektów utrwalania na podłożu. x200 x200 W obu testach, w warunkach przyjętych za zbliżone do optymalnych otrzymano zbliżone wartości parametru chropowatości Ra i Rz. W przypadku utrwalania laserem 532 nm, główny wkład wnosiła pęcherzykowata struktura powierzchni, pęknięcia i ubytki materiału aż do podłoża próbek. W przypadku naświetlania laserem 1070 nm, chropowatość powodowana była głównie przez liniowy układ (skanowanie) przetopień materiału. x500 x500 x500 3D Ra=2.98; Rz=15.50 [μm] x500 3D Ra=1.88; Rz=13.43[μm]
ZADANIE nr 2 Opracowanie środków barwnych do nanoszenia na wyroby szklane Do badań z udziałem lasera włóknowego GLMP 10 SPI, o mocy do 10W i długości fali 532 nm, rozszerzono paletę farb budując ją w ten sposób, że te same pigmenty znalazły się w identycznej ilości w topnikach ołowiowych i bezołowiowych. Miało to na celu ustalenie wpływu obecności ołowiu na jakość powierzchni barwnej. Dekorowane powierzchnie ustawione były w odległości 70mm od głowicy skanera. System pracował powyżej płaszczyzny ogniskowej skanera (poszerzona wiązka laserowa) przy częstotliwości impulsów 600Hz.
Badanie wpływu składu chemicznego na jakość powierzchni barwnej Symbol farby P[W] v [mm/s] P/v Ra Rz Symbol farby P[W] v [mm/s] P/v Ra Rz 62H-J20 3 100 0.03 2,15 11,54 6FS2413J 4 100 0.04 3,54 20,8 62H-N13 3 100 0.03 3,17 16,40 6FS1664 N 2 100 0.02 7,62 35,07 62H-Cz1 2 100 0.02 2,98 15,60 6FS1500Cz 2 100 0.02 2,84 15,67 7XV-R1 2 100 0.02 1,70 10,37 6FS1712R 2 100 0.02 6,25 29,59 Farby oznaczone kolorem żółtym nie zawierają ołowiu. Farby na bazie topnika bezołowiowego wykazują zdecydowanie większe wartości parametrów Ra i Rz. Zatem obecność ołowiu ma wpływ na jakość powierzchni. 62H-Z3 2 100 0.02 2,58 11,96 6FS2884Z 2 100 0.02 3,64 17,10 Tabela 2. Porównanie parametrów Ra i Rz dla farb ołowiowych i bezołowiowych.
Wpływ dawki energii na jakość powierzchni barwnej naświetlanej laserem Farby naświetlono liniowo, o odstępie między liniami (fill) 0.07 mm, laserem włóknowym SPI. zarówno od strony warstwy barwnej jak i od strony szkła. Graficzne odwzorowanie tendencji zmian wartości parametrów Ra i Rz w zależności od dawki dostarczonej energii na przykładzie farby 62-HCz1. Jak widać na wykresach, z uwagi na parametry chropowatości nie opłaca się stosować dawek energii P/v większych niż wskazany przedział optymalny 0.1 0.23 J/mm. W zakresie wyższych P/v ponownie widoczny jest wzrost chropowatości, spowodowany zjawiskami fizycznymi towarzyszącymi oddziaływaniu promieniowania laserowego ze stopionym materiałem.
Zależność parametrów chropowatości od gęstości energii przy różnych odległościach płaszczyzny szkła od płaszczyzny ogniskowej Materiałem badanym była farba 6FS -1500Cz/Ag Dane na wykresie wskazują wyraźnie, że przy małych gęstościach energii wraz z odległością płaszczyzny obróbki od płaszczyzny ogniskowej rosną wartości parametrów chropowatości
Wpływ gęstości i rodzaju wypełnienia oceniano mikroskopowo przy pomocy optycznego mikroskopu cyfrowego 3D model KH8700 firmy Hirox Oceniano chropowatość powierzchni, grubość warstwy oraz obecność wad (ubytków i pęknięć). Wpływ rodzaju wypełnienia: kropkowy (a), krzyżowy(b), liniowy(c) przy analogicznej dawce energii ilustrują mikrofotografie powierzchni próbki (powiększeniu x200) utrwalonej laserowo farby 62H-N13. a) b) < <<<<<<<<< a) b) c) P/v =0.025 J/mm Wypełnienie kropkowe P/v =0.02 J/mm Wypełnienie krzyżowe Wartości parametrów chropowatości w [μm] Ra=10.52; Rz=87.33 Ra=8.86; Rz=84.47 P/v =0.02 J/mm Wypełnienie liniowe Ra=11.55; Rz=83.58 Obrazy mikroskopowe w powiększeniu x200 farby 62HN13 utrwalonej promieniowaniem lasera SPI 1070 nm przy takiej samej dawce energii 0.02 J/mm: a)odległość między liniami skanowania 0.07 mm; b)0.05 mm. Intensywność barwy powierzchni zależy od rodzaju wypełnienia i odległości linii. Przy mniejszej gęstości skanowania powierzchnia jest bardziej gładka i bardziej równomierny jest rozkład środka barwnego.
Opracowane farby Lp. Symbol farby Barwa 1 6FS - 1728 B Brązowa Intensywność barwy powierzchni zależy od rodzaju wypełnienia i odległości linii. Przy mniejszej gęstości skanowania powierzchnia jest bardziej gładka i bardziej równomierny jest rozkład środka barwnego. Farby szklarskie wymienione w tabeli 3 po utrwaleniu laserem na powierzchniach szklanych poddano badaniom odporności chemicznej. Ze względu na brak norm polskich posłużono się normą ASTM C 724-81 Acid resistance of ceramic decorations on architectural type glass (Kwasoodporność ceramicznych dekoracji na szkle architektonicznym) Badanie to polega na działaniu 5% roztworu kwasu cytrynowego na powierzchnię farby w czasie 15 minut i obserwacji wyglądu powierzchni farby. Powierzchnię poddaną działaniu kwasu należy ocenić i zakwalifikować do jednej z pięciu klas: A No atak (brak oddziaływania) B - Very fine attack (bardzo słabe oddziaływanie) C - Moderate attack (Umiarkowane oddziaływanie) D - Severe attack ( Intensywne oddziaływanie) E - Destruction of coating (Destrukcja powłoki) Farby o klasie odporności chemicznej A i B są oceniane jako odporne chemicznie, zaś o klasie C można używać w niektórych zastosowaniach (szkło oświetleniowe), natomiast odporność klasy D i E należy traktować jako wynik negatywny. 2 6FS - 1727 B Brązowa 3 6FS - 1500Cz Czarna 4 6FS - 1712 R Czerwona 5 6FS - 1742 R Czerwona 6 6FS - 2106 R Czerwona 7 6FS - 1664 N Niebieska 8 6FS - 1762 N Niebieska 9 6FS - 1841 N Niebieska 10 6FS - 1653 O Pomarańczowa 11 6FS - 2807 G Szara 12 6FS - 1776 Z Zielona 13 6FS - 2415 Z Zielona 14 6FS - 2414 J Żółta 15 6FS - 1654 J Żółta Tabela 3. Farby ceramiczne do techniki laserowej
Ocena odporności chemicznej poszczególnych farb Lp. Symbol farby Ocena 1 Ocena 2 Lp Symbol farby Ocena 1 Ocena 2 Na podstawie uzyskanych wyników większość farb nie podlega działaniu kwasu cytrynowego. Zmiany powierzchni oceniano zarówno od strony farby jak i przez warstwę szkła. \ Ocena 1 powierzchnia oceniana od strony farby Ocena 2 powierzchnia oceniana przez szkło 1 2 3 4 5 6 7 8 1 6FS - 1728 B A A 8 6FS - 1762 N A A 2 6FS - 1727 B A A 9 6FS - 1841 N B A 3 6FS - 1500Cz B/C B/C 10 6FS - 1653 O A A 4 6FS - 1712 R A A 11 6FS - 2807 G A A 5 6FS - 1742 R B A 12 6FS - 1776 Z B/C B/C 6 6FS - 2106 R A A 13 6FS - 2415 Z A A 7 6FS - 1664 N A A 14 6FS - 2414 J A A 15 6FS - 1654 J B A Tabela 4. Ocena odporności chemicznej
ZADANIE nr 3 Opracowanie sposobu nanoszenia barwnych środków ceramicznych Fotografia zestawu CNC służącego do automatyzacji procesu napylania farby na podłoże: 1 komputer sterujacy z oprogramowaniem MACH3 2 sterownik CNC 3 naped osi Y 4 naped osi X 5 stół roboczy 6 pompa perystaltyczna 7 instalacja pneumatyczna 8 platforma do mocowania pistoletu. W sposobie nanoszenia zawiesin wykorzystano technikę natrysku pistoletem, nanoszenie warstwy barwnej z zastosowaniem saneczek i w fazie końcowej aerograf. Najkorzystniejsze wyniki uzyskano przy nanoszeniu aerografem. Na podstawie obserwacji wizualnych i wyników badań instrumentalnych stwierdzono, że dominujący wpływ na wynik laserowej obróbki warstwy farbowej ma równomierność i powtarzalność procesu nanoszenia farby w zawiesinie cieczy nośnej. Nanoszenie za pomocą aerografu stosowane na etapie wstępnych prób nie jest metodą perspektywiczną do przeniesienia na skalę przemysłową. Dla potrzeb badań przemysłowych opracowywanej technologii zbudowano na bazie plotera XY oraz automatycznego pistoletu lakierniczego stanowisko badawcze przedstawione na zdjęciu.
ZADANIE nr 4 Opracowanie programu testującego parametry pracy lasera na wyrobach Ceramiki Tubądzin z wykorzystaniem barwnych środków ceramicznych ICiMB Opracowanie i przetestowanie kodów komputerowych sterujących systemem laser + skaner, w profesjonalnym oprogramowaniu weldmark, dostosowanym parametrycznie do wyrobów szklanych Ceramiki Tubądzin. Partner projektu-ceramika Tubądzin II Sp. z o.o. dostarczył do badań rozbudowany wzór ornamentu kwiatowego (fragment rysunku poniżej) Wzorcowy obraz ornamentu kwiatowego z zaznaczonymi elementami konstrukcji rysunku
ZADANIE nr 5 Analiza wyników badań przemysłowych Krytyczna analiza wyników badań trzech podstawowych elementów proponowanej technologii (Zadań 2 4): środków zdobniczych, techniki ich aplikacji i techniki ich utrwalania na podłożu szklanym.
Podsumowanie Najkorzystniejsze wyniki uzyskano przy zastosowaniu lasera pracującego na długości fali 532 nm. Naświetlanie przez warstwę szkła zapewnia niższe, optymalne wartości dawki energii, a w konsekwencji minimalizację defektów (mikropęknięć, ubytków powierzchni), równomierność nasycenia barwy. Naświetlanie przez szkło zmniejsza chropowatość. Analizy wykazały zanik minimalnego efektu utrwalania dekoracji dla P/v poniżej przedziału 0.01 0.05 J/mm (w zależności od rodzaju farby). Górny przedział użytecznych wartości P/v określono na podstawie mikroskopowych analiz kształtu linii i powstających defektów na poziomie < 1 J/mm. Z uwagi na parametry chropowatości nie opłaca się stosować dawek energii P/v większych niż wskazany przedział optymalny 0.1 0.23 J/mm. W zakresie wyższych P/v ponownie widoczny jest wzrost chropowatości, spowodowany zjawiskami fizycznymi towarzyszącymi oddziaływaniu promieniowania laserowego ze stopionym materiałem. Farby na bazie topnika bezołowiowego wykazują zdecydowanie większe wartości parametrów Ra i Rz. Zatem obecność ołowiu ma wpływ na jakość powierzchni. Przy małych gęstościach energii wraz z odległością płaszczyzny obróbki od płaszczyzny ogniskowej rosną wartości parametrów chropowatości Intensywność barwy powierzchni zależy od rodzaju wypełnienia i odległości linii. Technologia została zoptymalizowana zarówno w odniesieniu do grafik wektorowych jak i rastrowych. Przy mniejszej gęstości energii powierzchnia barwna jest bardziej gładka i bardziej równomierny jest rozkład środka barwnego.
ZADANIE nr 6 Praktyczna ocena wyników badań Zaprojektowanie i wykonanie wybranych dekoracji komercyjnych Ceramiki Tubądzin.
BUDŻET 1 836 576 PLN v Projekt finansowany ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, w ramach I Konkursu Programu Badań Stosowanych, w obszarze Materiały i technologie materiałowe w ścieżce A.
PUBLIKACJE 1. Application of laser radiation in decoration and marking of ceramic products D. Chmielewska, R. Gebel, K. Szamałek, A. Olszyna, J. Marczak, A. Sarzyński, M. Strzelec Proceedings of SPIE 2013, Vol.8703, 870301 2. Metody dekoracji wyrobów ceramicznych i szklanych za pomocą promieniowania laserowego. D. Chmielewska, A. Olszyna, K. Szamałek, R. Gebel, J. Marczak, A. Sarzyński, M. Strzelec, Inżynieria materiałowa, vol.35 no.6, 464-467,( 2014) 3. Utrwalanie warstw barwnych na podłożach szklanych za pomocą promieniowania laserowego. A. Sarzyński, D Chmielewska, J. Marczak, M. Strzelec, A. Olszyna, R. Gebel, Prace Instytutu Elektrotechnik Zeszyt Nr 266, 127-144, (2014)
KONTAKT Instytut Ceramiki i Materiałów Budowlanych 02-676 Warszawa, ul. Postępu 9 Tel.(22) 843-74-21 do 26 Ceramika Tubądzin II Sp. z o.o. 95-035 Ozorków, ul. Armii Krajowej 20 Tel. (42) 714 06 00