Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ МАРКИРОВКИ ПОЛИМЕРНОГО КОНТЕЙНЕРА

Способ лазерной маркировки полимерных контейнеров относится к лазерным методам нанесения алфавитно-цифровой или графической информации на изделия из термопластичных полимеров, материал которых полностью или частично прозрачен для излучения инфракрасного диапазона, и изделий, получаемых из заготовки (преформы) меньшего размера за счет термомеханического воздействия.

Способ лазерной маркировки полимерного контейнера (см. заявка ЕР 0558705, МПК B23K 26/08, опубликована 08.09.1993), включающий программируемую обработку боковой поверхности контейнера излучением лазера путем испарения части материала стенки контейнера при одновременном вращении контейнера вокруг его оси.

Недостатком известного способа лазерной маркировки является снижение прочности стенки контейнера в местах маркировки, учитывая, что в интересах экономии и экологии стремятся уменьшить толщину стенок контейнера.

Известен способ лазерной маркировки полимерного контейнера, имеющего по меньшей мере полиолефиновую поверхность (см. патент US4578329, МПК B23K 26/18, опубликован 25.03.1986), включающий облучение поверхности контейнера лазерным излучением в течение времени, достаточного для разложения полиолефина с образованием маркировки черного цвета.

Известный способ имеет ограниченную область применения и достаточно энергозатратный.

Известен способ лазерной маркировки полимерного контейнера, материал которого является прозрачным для электромагнитного излучения на длинах волн в пределах видимой области спектра (см. заявка РСТ WO 09203297, МПК B29C 35/08, B29C 71/04, опубликована 05.03.1992), включающий перемещение по поверхности контейнера сфокусированного лазерного излучения с плотностью энергии в фокусе по меньшей мере 10 Дж/см², при этом фокусируют лазерное излучение в приповерхностном слое материала контейнера так, чтобы вызвать локальную ионизацию материала в точке фокуса, образуя область повышенной непрозрачности электромагнитного излучения.

Недостатком известного способа лазерной маркировки является необходимость воздействия лазерным излучением на всю область наносимой маркировки, что достаточно энергозатратно и занимает значительное время. Кроме того, имеет место снижение прочности стенки контейнера в местах маркировки.

Известен способ лазерной маркировки полимерного контейнера (см. заявка US 2015352772, МПК B29C 49/24, B29C 49/42, B29D 22/00, B29K 105/00, опубликована 10.12.2015), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает воздействие сфокусированным лазерным излучением по заданному рисунку маркировки на заготовку полимерного контейнера при энергии лазерного излучения, меньшей порога абляции, и последующее формование контейнера термомеханическим воздействием на заготовку с нанесенной маркировкой.

Известный способ-прототип позволяет сформировать износостойкую этикетку, обладающую высокой степенью защиты от подделок, сохранить прочность стенки контейнера в местах маркировки, однако процесс маркировки достаточно энергоемок и продолжителен, так как требует осуществлять воздействие лазерным излучением на всю область наносимого изображения маркировки.

Задачей настоящего изобретения является разработка такого способа лазерной маркировки полимерного контейнера, который бы обеспечивал маркировку полимерного контейнера с меньшей затратой энергии и позволял сократить время нанесения изображения маркировки.

Поставленная задача решается тем, что способ лазерной маркировки полимерного контейнера включает воздействие сфокусированным лазерным излучением по заданному рисунку изображения маркировки на заготовку полимерного контейнера при энергии лазерного излучения, меньшей порога абляции, и последующее формование контейнера термомеханическим воздействием на заготовку с нанесенным изображением маркировки. Новым в способе является то, что предварительно определяют разрешение I_pi изображения маркировки в двух взаимно перпендикулярных направлениях из соотношения:

точек/мм;

где L_и - линейный размер изображения маркировки на конечном изделии, мм;

d - диаметр перетяжки лазерного излучения, мм;

k₁ - коэффициент увеличения линейного размера контейнера по сравнению с заготовкой;

k₂ - коэффициент свойств материала контейнера, определяемый экспериментально;

а воздействие сфокусированным лазерным излучением выполняют на заготовку,

нагретую до температуры, равной (0,3-0,4)⋅T_c,

где T_c - температуры стеклования материала контейнера, °C.

Изображение маркировки может быть выполнено в виде информации о торговом наименовании продукта, для которого предназначен полимерный контейнер, о торговом наименовании, химическом составе, сроке годности жидкости или напитка, для которого предназначен полимерный контейнер.

Изображение маркировки может быть выполнено в виде информации о химическом составе и свойствах материала контейнера, его изготовителе, дате его изготовления, а также информацию об утилизации и повторном использовании контейнера.

Изображение маркировки может быть выполнено в виде товарного знака, линейного или двумерного штрихкода, или в виде этикетки.

Предварительный нагрев заготовки полимерного контейнера в указанном выше диапазоне температур позволяет придать длинным молекулам термопластичного материала заготовки (преформы) дополнительную термодинамическую энергию. При этом осуществляют лазерную маркировку не всего поля изображения, а лишь отдельных точек, отстающих друг от друга на эквидистантные расстояния, которые в процессе выдувного формования экструзивного изготовления тары заполняют всю площадь изображения. Нанесенные лазерным излучением точки в приповерхностном слое заготовки (преформы) представляют собой неоднородности, которые при последующей экструзии оказываются центрами кристаллизации сферолитов. Кристалличность материала преформы внутри сферолитов также изменяется в большую сторону относительно остальной поверхности конечного изделия, (обычно - до 28-30%, в области роста сферолитов, и около 20% - в остальной области).

Полученные таким образом неоднородности рассеивают свет, образуя на поверхности изделия контрастное изображение маркировки. Интервал температур предварительного нагрева заготовки обусловлен следующими обстоятельствами. При предварительном нагреве заготовки полимерного контейнера ниже 0,3-0⋅T_c наблюдаются негативные последствия, заключающиеся в дискретности (отсутствии сплошности) изображения маркировки. При предварительном нагреве заготовки полимерного контейнера выше 0,4⋅T_c снижается качество маркировки, так как нанесенные лазерным излучением точки в приповерхностном слое заготовки имеют следы подгорания материала заготовки.

Настоящее изобретение поясняется чертежом, где

на фиг. 1 приведена фотография заготовки для дальнейшего изготовления полимерного контейнера;

на фиг. 2 показана фотография готового полимерного контейнера с нанесенной настоящим способом лазерной маркировкой;

на фиг. 3 в таблице 1 приведены диаметры сферолитов D, образовавшихся в приповерхностном слое контейнера при различной температуре предварительного нагрева.

Настоящий способ лазерной маркировки полимерного контейнера осуществляют следующим образом. Предварительно получают заготовки для изготовления полимерного контейнера (см. фиг. 1). Для каждого используемого при изготовлении контейнера термопластичного материала (например, поливинилхлорида, полипропилена, полиэтилена высокого давления, полиэтилентерефталата) экспериментально определяют коэффициент k₂ - коэффициент свойств материала изделия. Затем определяют необходимое разрешение наносимого изображения маркировки, которое обеспечивает контрастное изображение маркировки на изготовленном полимерном контейнере. Для этого наносимое изображение маркировки преобразуют в двумерный 1-битный растр, учитывая относительные размеры заготовки и конечного изделия, параметры пучка лазерного излучения и свойства материала изделия. Разрешение I_pi точек/мм изображения по каждому из двух взаимно перпендикулярных направлений (например, по осям X и Y) определяют из соотношения:

точек/мм.

Осуществляют предварительный равномерный нагрев заготовки (преформы) до температуры, равной (0,3-0,4)⋅T_c, при помощи подходящего источника тепла (например, трубчатый электронагреватель-ТЭН, инфракрасный или сверхвысокочастотный излучатели). На нагретую заготовку воздействуют сфокусированным лазерным излучением в соответствии с растром полученного разрешения I_pi, в результате действия которого в приповерхностном слое заготовки формируется предварительное изображение, состоящего из дискретных точек диаметром d', представляющих собой след оптического пробоя сфокусированным импульсно периодическим лазерным лучом в материале изделия, контрастный, по сравнению с необлученным материалом. Затем нагретую до температуры пластификации заготовку помещают в соответствующую форму (пресс-форму) и воздухом, подаваемым под высоким давлением через горло заготовки, растягивает заготовку до необходимых размеров, задаваемыми стенками пресс-формы. Готовый полимерный контейнер (см. фиг. 2) затем может быть заполнен жидкостью или напитком.

Пример. Предварительно были получены идентичные заготовки для изготовления полимерной бутыли из полиэтилентерефталата (ПЭТ) коричневого цвета, который имеет температуру стеклования T_c=96°C. Коэффициент увеличения линейного размера бутыли, по сравнению с заготовкой, k₁=5. После такого выдувного формования на полимерной бутыли должно быть получено изображение размером L_и=1 см.

Был проведен подбор температуры предварительного нагрева с целью определения коэффициента свойств материала бутыли k₂. Для этого в атмосфере теплого воздуха заготовки были предварительно равномерно нагреты до различных температур предварительного нагрева Т_пр, в диапазоне от (0,2-0,5)⋅T_c, т.е. от температуры T_пр=20°C до Т_пр=47°C с шагом в 3°C (всего 10 заготовок). В качестве источника лазерного излучения применяли лазер типа «Минимаркер2-М10» со следующими параметрами: длина волны излучения 1,065 мкм, диаметр перетяжки пучка лазерного излучения d=50 мкм, плотность потока мощности 1 мДж/см². При помощи этого лазера были нанесены тестовая маркировка в виде отдельных точек на каждой из заготовок при каждом значении Т_пр. После этого из заготовок термомеханическим воздействием на станке типа ДАКИ АВ-1000-5 были изготовлены бутыли. Затем были измерены диаметры сферотолитов D, образовавшихся в приповерхностном слое бутылей, которые приведены на фиг. 3 в таблице 1. Как можно видеть из полученных данных, на образцах №1, 2, 3, 9, 10 увеличение размера точки происходило исключительно за счет увеличения линейного размера бутыли по сравнению с заготовкой. На образцах №4, 5, 6, 7 и 8 роста наблюдался рост сферотолитов, максимальный - на образце №6, предварительно нагретом до 0,36⋅T_c, величина коэффициента свойств материала составила k₂=16,8. Согласно математическому выражению , было определено разрешение изображения маркировки. В данном случае при нагреве до 0,36⋅T_c, I_pi=10 мм/(0,05 мм⋅5⋅1б,8)=2 точки/мм. Выполненная с этим разрешением лазерная маркировка полимерной бутыли показана на фиг. 2.