Способ художественной обработки изделий из стекла - RU2059575C1

Описание

Изобретение относится к художественной обработке изделий декоративно-прикладного искусства из оптически прозрачных материалов, в частности к способам получения особых световых эффектов в материалах для художественных изделий типа стекло, янтарь, драгоценные, полудрагоценные и синтетические камни, органическое стекло, хрусталь, и может быть использовано в стекольной и ювелирной промышленности.

Известен способ обработки изделий из стекла, включающий термический отжиг, чистовую механическую обработку поверхности изделий (полирование) и нанесение элементов рисунка в процессе лазерной обработки поверхности изделия скрайбированием [1] Мощный лазерный пучок скрайбирует изделие путем выпаривания материала, т.е. нагрев осуществляют до температуры испарения материала.

Известен также способ обработки изделий из стекла, включающий термический отжиг, механическую обработку поверхности изделия (полирование) и нанесение элементов рисунка в процессе лазерной возгонки отверстий в материале, т. е. материал также нагревают в световом пятне лазерного излучения до температуры испарения [2]
Недостатком обоих способов является низкая художественная выразительность изделия из-за расположения элементов рисунка в плоскости поверхности изделия, т.е. рисунок не обладает свойствами "объемности".

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ художественной обработки изделия из стекла, преимущественно боросиликатного и хрусталя [3] Способ включает отжиг стекла, полирование поверхности и нанесение рисунка лучом лазера в воздушной среде с температурой 223-253 К, причем световое пятно излучения фокусируют в массе изделия на расстоянии от внешних его поверхностей не менее ста диаметров пятна излучения, а температуру стекла в световом пятне за время воздействия импульсов излучения доводят до значения, превышающего предел термостойкости.

Низкая художественная выразительность изделий, обработанных по известному способу, объясняется тем, что способ не допускает высокую плотность размещения точечных элементов на близком расстоянии один от другого из-за термораскалывания изделия в процессе лазерной обработки. Низкая же плотность размещения точечных элементов предопределяет невозможность реализации сложных по композиции внутренних рисунков, что и снижает художественную выразительность изделий.

Принципиально низкая плотность размещения точечных элементов внутреннего рисунка при использовании известного способа обусловлена тем, что охлажденные стекла (до температуры 223.253 К, т.е. 50.-20^оС) обладают повышенной хрупкостью. Поэтому возникающие после ухода луча микротрещины образуют более густую сеть, и при плотном последовательном размещении точек рисунка микротрещины сливаются в одну общую трещину, что приводит к термораскалыванию изделия, т.е. к браку.

Кроме того, вероятность термораскалывания изделия возрастает при увеличении плотности размещения точек рисунка и по той причине, при в зоне формирования микротрещин точечного элемента после ухода лазерного луча возникают и остаются зоны внутреннего механического перенапряжения стекла, которые при близком их взаимном расположении приводят к раскалыванию изделия в процессе лазерной обработки.

Цель изобретения повышение художественной выразительности за счет увеличения плотности размещения элементов рисунка внутри стекла при максимальной частоте следования импульсов излучения.

Поставленная цель достигается тем, что в способе художественной обработки изделий из стекла, преимущественно боросиликатного и хрусталя, путем отжига стекла, полирования поверхности и нанесения через них многочисленной последовательности отдельных элементов внутреннего рисунка импульсами лазерного излучения, сфокусированного в массе изделия на расстоянии от внешних его поверхностей не менее ста диаметров пятна излучения, лазерную обработку стеклоизделий ведут в нагретой воздушной среде с температурой, не превышающей значения температуры стеклования, уменьшенного на значение предела термостойкости. Расстояние между любыми из не менее чем десяти последовательно наносимых точечных элементов внутреннего рисунка устанавливают не менее ста диаметров пятна излучения при общем результирующем расстоянии между соседними точечными элементами не менее диаметра пятна излучения.

По сравнению с прототипом заявляемое техническое решение имеет следующие отличительные признаки: лазерную обработку стеклоизделий ведут в нагретой воздушной среде с температурой, не превышающей значения температуры стеклования, уменьшенного на значение предела термостойкости; расстояние между любыми из не менее, чем десяти последовательно наносимых точечных элементов внутреннего рисунка, устанавливают не менее диаметра пятна излучения.

Таким образом, заявляемое техническое решение отвечает требованию "новизна".

Помещение стеклоизделий в нагретую воздушную среду способствует снижению вероятности термораскалывания изделий в процессе лазерной обработки, так как нагрев стекла обеспечивает параллельное с обработкой протекание в структуре стекла процессов термического отжига (отпуска) внутренних механических напряжений, возникающих в зоне, прилегающей к точечному элементу, после ухода из этой зоны луча лазера. Так, например, для боросиликатного стекла экспериментальные данные и расчеты показывают, что температура стеклования Т_с= 551^оС, а термостойкость Т_ст=50^оС. Следовательно, изделия из боросиликатного стекла в предлагаемом способе лазерной обработки помещают в воздушную среду, нагретую до температуры не более, чем Т_ср=Т_с-Т_ст=500^оС, т.е. до значений, при которых наблюдается процесс отжига (отпуска) внутренних механических напряжений для многих марок стекол.

При размещении последовательно наносимых точечных элементов на расстоянии не менее ста диаметров пятна излучения один от другого снижается вероятность термораскалыванию изделия, так как возникающие в зоне воздействия луча лазера микротрещины (образующие точечный элемент рисунка) и области внутренних механических напряжений стекла (вблизи этих точек) не сливаются в единую трещину из-за большого расстояния между точками. В микрозонах же внутренних механических перенапряжений с момента их возникновения протекает процесс активного отжига (отпуска) из-за повышенной температуры, что также снижает вероятность образования единой цепи перенапряженных зон, могущих привести при достижении ими значительных размеров к раскалыванию изделия.

Так как не менее десяти последовательно наносимых точечных элементов размещаются на расстоянии не менее ста диаметров пятна излучения один от другого, то (ввиду того, что во время нанесения этой последовательности точек протекает процесс активного отжига (отпуска) внутренних механических перенапряжений стекла вблизи этих точек), появляется возможность осуществить нанесение следующих десяти точек рисунка вплотную к ранее нанесенным точкам без возможных последствий раскалывания изделия, и так далее. Поэтому при полном устранении (отжига) перенапряженных зон вблизи точек рисунка, критерием, характеризующим снижение вероятности раскалывания стекла при нанесении точек, остается требование обеспечения расстояния между точечными элементами рисунка не менее диаметра пятна излучения, так как в этом случае микротрещины, образующие соседние точки, не соединяются в единую непрерывную трещину.

Таким образом, предлагаемое техническое решение удовлетворяет критерию "положительный эффект", так как обеспечивает повышение художественной выразительности внутренних рисунков за счет повышения плотности размещения наносимых точечных элементов, что становится возможным из-за снижения вероятности термораскалывания изделия при максимальной частоте следования импульсов лазерного излучения.

Порядок выполнения операций предлагаемого способа лазерной художественной обработки изделий из стекла заключается в следующем.

1. Изделие из стекла подвергают термическому отжигу для снятия внутренних механических напряжений, возникающих при изготовлении стеклоизделий.

2. Полируют внешние поверхности изделия, через которые предстоит нанесение точечных элементов внутреннего объемного рисунка.

3. Нагревают изделие до температуры, не превышающей численное значение температуры стеклования, уменьшенного на величину предела термостойкости стекла данной марки (т.е. помещают изделие в нагретую воздушную среду).

4. Устанавливают объектив световода лазерного излучения относительно обрабатываемого изделия на расстоянии, обеспечивающем фокусирование светового пятна излучения в заданной точке объема материала стеклоизделия на расстоянии от внешних поверхностей не менее ста диаметров пятна излучения.

5. Воздействуют на изделие импульсом лазерного излучения с длиной волны от 1,06 до 4,5 мкм. Мощность импульса излучения устанавливают из условия, чтобы увеличить температуру стекла в световом пятне на величину предела термостойкости стекла. Конкретные значения параметров лазерного излучения и температуры среды и стекла для различных марок стекол (температуру стеклования и предел термостойкости) уточняют экспериментальным путем.

6. Смещают объектив световода, а именно: световое пятно излучения, на расстояние не ближе ста диаметров пятна излучения от любой из не менее, чем десяти предшествовавших по нанесению точек рисунка.

7. Повторяют действия по пп. 3.6 для нанесения всех точечных элементов объемного внутреннего рисунка. Результирующее расстояние между точечными элементами, отстоящими один от другого в последовательности нанесения не менее, чем на 10 порядковых номеров, должно быть не менее диаметра пятна излучения.

Управление механизмами перемещения изделия и объектива световода лазерного излучения вдоль стеклоизделия следует осуществлять с помощью автоматизированных средств (например, с помощью микроЭВМ).

Предлагаемый способ лазерной художественной обработки изделий из стекла выгодно отличается от прототипа, так как позволяет повысить художественную выразительность внутреннего объемного рисунка за счет повышения плотности размещения точечных элементов в стекле (что способствует реализации более сложных по композиции рисунков), а также снизить вероятность термораскалывания изделия в процессе нанесения многочисленной последовательности точечных элементов рисунка при повышенной скорости нанесения этих элементов.

Реферат

Изобретение относится к художественной обработке изделий декоративно-прикладного искусства из оптически прозрачных материалов. Сущность изобретения: способ позволяет повысить художественную выразительность изделий. Для этого лазерную обработку стеклоизделий ведут в нагретой воздушной среде с температурой, не превышающей значения температуры стеклования, уменьшенного на значение предела термостойкости, расстояние между любыми из не менее чем десяти последовательно наносимых точечных элементов внутреннего рисунка устанавливают не менее ста диаметров пятна излучения при общем результирующем расстоянии между соседними точечными элементами не менее диаметра пятна излучения. В результате повышается художественная выразительность внутреннего объемного рисунка за счет повышения плотности размещения точечных элементов в стекле, что способствует реализации более сложных по композиции рисунков, а также снижается вероятность термораскалывания изделий при повышенной скорости нанесения многочисленной последовательности точечных элементов рисунка.

Формула