Kolorowanie laserem ze stali nierdzewnej: innowacyjna technologia znakowania kolorami bez użycia atramentu

W dziedzinach takich jak obróbka metali, projektowanie dekoracyjne oraz śledzenie produktów barwienie stanowi ważną metodę przekazywania informacji i podnoszenia wartości estetycznej. Tradycyjne metody barwienia metali, takie jak drukowanie czy obróbka elektrochemiczna, mają wady, w tym zanieczyszczenie środowiska, konieczność stosowania dodatkowych materiałów eksploatacyjnych oraz niestabilność barw. Technologia barwienia stali nierdzewnej za pomocą lasera stała się natomiast popularnym trendem w przemyśle laserowym dzięki swoim zaletom: brakowi materiałów eksploatacyjnych, wysokiej precyzji oraz trwałości barw. Poprzez wywołanie reakcji utleniania na powierzchni stali nierdzewnej przy użyciu energii laserowej tworzona jest kolorowa warstwa tlenkowa – bez konieczności stosowania farb ani odczynników chemicznych. Metoda ta pozwala nie tylko uzyskać bogatą paletę kolorów, ale także zapewnia odporność znakowania na zużycie oraz jego przyjazność dla środowiska, otwierając nowe możliwości personalizowanej obróbki wyrobów ze stali nierdzewnej.

 

Podstawową zasadą barwienia stali nierdzewnej za pomocą lasera jest wykorzystanie energii laserowej do wywołania powstania na powierzchni metalu warstwy tlenku o określonej grubości. Następnie dzięki naturalnemu kolorowi tej warstwy tlenkowej oraz efektom interferencji światła uzyskuje się różnorodne kolory. W eksperymentach powszechnie stosowany laser włóknowy typu MOPA emituje światło laserowe o długości fali 1064 nm. Po naświetleniu materiałów takich jak stal nierdzewna 304 podnosi on temperaturę obszaru naświetlanego, wywołując reakcję utleniania z tlenem obecnym w powietrzu i prowadząc do powstania dwufazowej warstwy tlenkowej złożonej z tlenków chromu i żelaza.

 

Grubość i morfologia powierzchni warstwy tlenkowej bezpośrednio decydują o końcowym kolorze — warstwy tlenkowe o różnej grubości wywierają różne efekty odbicia i załamania na świetle widzialnym, co powoduje pojawienie się różnych kolorów, takich jak niebieski, fioletowy, różowy i żółty. Na przykład cieńsza warstwa tlenkowa może przybrać odcień fioletowy, a w miarę zwiększania się jej grubości kolor stopniowo przechodzi w różowy i żółty. Co jeszcze ciekawsze, kolorowanie laserem nie wymaga skomplikowanego sprzętu. Dzięki skanowaniu galwanometrem oraz skupianiu wiązki za pomocą soczewki F-theta można precyzyjnie kontrolować tworzenie się warstwy tlenkowej na powierzchni stali nierdzewnej, umożliwiając elastyczne zastosowania — od lokalnego znakowania po kolorowanie obszarów o dużych wymiarach.

Głównym wyzwaniem barwienia stali nierdzewnej za pomocą lasera jest osiągnięcie dokładnej reprodukcji docelowych kolorów poprzez dostosowanie parametrów. Kluczowymi parametrami wpływającymi na kolor są moc lasera, prędkość skanowania oraz częstotliwość powtarzania. Trzy te parametry nie działają niezależnie od siebie, lecz określają efekt barwienia poprzez stałą zależność proporcjonalną. Badania wykazały, że o ile trzy te parametry zachowują ten sam współczynnik proporcjonalności (współczynnik proporcjonalności działania lasera), nawet przy różnych wartościach liczbowych generowane są na powierzchni stali nierdzewnej barwy i warstwy tlenkowe o bardzo podobnym charakterze.

 

Na przykład moc lasera wynosząca 20 W, prędkość skanowania 100 mm/s oraz częstotliwość powtarzania impulsów 200 kHz wygenerują ten sam kolor co moc 30 W, prędkość skanowania 150 mm/s i częstotliwość powtarzania impulsów 300 kHz, ponieważ proporcje parametrów pozostają stałe. Jednocześnie takie parametry jak szerokość impulsu czy ogniskowa również wpływają na jakość warstwy tlenkowej: przy stałej szerokości impulsu 4 ns i ogniskowej 210 mm średnica plamki może być stabilizowana na poziomie 50 μm, co zapewnia bardziej jednolite barwienie. Reguła proporcjonalności parametrów rozwiązuje problem trudnej reprodukcji kolorów w tradycyjnym barwieniu i zapewnia wiarygodne wskazówki parametryczne do produkcji masowej.

 

W porównaniu z tradycyjnymi procesami barwienia barwienie stali nierdzewnej za pomocą lasera oferuje wyraźne zalety. Po pierwsze, jest to proces przyjazny dla środowiska. Cały proces nie wymaga użycia odczynników chemicznych ani farb – wykorzystywana jest jedynie reakcja utleniania zachodząca między promieniem laserowym a powietrzem, co nie generuje ścieków ani odpadów stałych i spełnia wymagania w zakresie ochrony środowiska. Po drugie, kolory są stabilne i trwałe. Powstająca warstwa tlenków ściśle przylega do podłoża ze stali nierdzewnej, charakteryzuje się dużą odpornością na zużycie oraz na blaknięcie i może być stosowana w złożonych warunkach eksploatacyjnych, takich jak praca na zewnątrz lub w wysokiej temperaturze. Po trzecie, proces ten cechuje się precyzją i elastycznością. Średnica wiązki laserowej jest mała, a jej parametry łatwo kontrolować, co umożliwia zarówno nanoszenie drobnych tekstów i wzorów, jak i jednolite barwienie obszarów o dużej powierzchni, dostosowując się do różnych specyfikacji wyrobów ze stali nierdzewnej.

 

Dodatkowo kolorowanie laserem charakteryzuje się prostym przebiegiem procesu oraz brakiem zużycia materiałów eksploatacyjnych, co pozwala obniżyć koszty produkcji. Na przykład w zakresie śledzenia produktów kolorowanie laserem może być wykorzystywane do nanoszenia kolorowych kodów QR na elementach ze stali nierdzewnej – takie oznaczenia są nie tylko czytelne i łatwe do zidentyfikowania, ale także mniej podatne na zużycie niż oznaczenia drukowane. W dziedzinie dekoracyjnej umożliwia uzyskanie kolorów gradientowych oraz skomplikowanych wzorów na płytach ze stali nierdzewnej, zwiększając tym samym wartość estetyczną produktów. Te zalety sprawiły, że technika ta zdobyła popularność w takich branżach jak wyroby hutnicze, urządzenia medyczne oraz dekoracja budowlana.

 

Zakres zastosowań technologii barwienia stali nierdzewnej za pomocą lasera stale się poszerza. W produkcji przemysłowej może być ona stosowana do nanoszenia logo marki oraz oznaczeń parametrów technicznych na wyrobach ze stali nierdzewnej – kolorowe oznaczenia są zarówno atrakcyjne wizualnie, jak i skutecznym środkiem zapobiegawczym przeciwko podrabianiu. W dziedzinie projektowania dekoracyjnego umożliwia nadawanie indywidualnych kolorów drzwiom, oknom, meblom oraz dziełom sztuki wykonanym ze stali nierdzewnej, dzięki czemu można odejść od jednolitego, monotonnego wyglądu tradycyjnej stali nierdzewnej. W sektorze wysokotechnologicznego przemysłu, takim jak urządzenia medyczne czy komponenty do przemysłu lotniczego i kosmicznego, kolorowe oznaczanie może służyć do klasyfikacji części i zapewnienia ich śledzalności, co poprawia efektywność zarządzania procesami produkcyjnymi.