Лазерное окрашивание нержавеющей стали: инновационная технология цветной маркировки без использования чернил

В таких областях, как обработка металлов, декоративный дизайн и прослеживаемость продукции, цветовая маркировка является важным средством передачи информации и повышения эстетической привлекательности. Традиционные методы окрашивания металлов, например печать и электрохимическая обработка, обладают рядом недостатков: загрязнение окружающей среды, необходимость использования дополнительных расходных материалов и нестабильность получаемых цветов. В то же время технология лазерного окрашивания нержавеющей стали становится всё более популярной в лазерной отрасли благодаря таким преимуществам, как отсутствие расходных материалов, высокая точность и долговечность цвета. За счёт индуцирования лазерной энергией окислительной реакции на поверхности нержавеющей стали формируется окрашенная оксидная плёнка; при этом не требуются ни чернила, ни химические реагенты. Эта технология позволяет не только получать насыщенные и разнообразные цвета, но и обеспечивает стойкость маркировки к износу и её экологическую безопасность, открывая новые возможности для персонализированной обработки изделий из нержавеющей стали.

 

Основной принцип лазерного окрашивания нержавеющей стали заключается в использовании лазерной энергии для индуцирования образования оксидной пленки заданной толщины на поверхности металла. Затем за счёт собственного цвета оксидной пленки и эффектов интерференции света проявляется множество различных цветов. В экспериментах часто применяется волоконный лазер типа MOPA, излучающий лазерный свет с длиной волны 1064 нм. При облучении материалов, таких как нержавеющая сталь марки 304, он повышает температуру облучаемого участка, вызывая реакцию окисления с кислородом воздуха и формируя двухфазную оксидную пленку, состоящую из оксидов хрома и железа.

 

Толщина и морфология поверхности оксидной пленки напрямую определяют конечный цвет: оксидные пленки различной толщины по-разному отражают и преломляют видимый свет, что приводит к появлению различных цветов — синего, фиолетового, розового и желтого. Например, более тонкая оксидная пленка может выглядеть фиолетовой, а по мере увеличения её толщины цвет постепенно переходит к розовому и желтому. Более интересно то, что лазерное окрашивание не требует сложного оборудования. С помощью гальванометрического сканирования и фокусировки луча с помощью линзы F-theta можно точно контролировать формирование оксидной пленки на поверхности нержавеющей стали, что позволяет гибко применять технологию — от локальной маркировки до окрашивания больших площадей.

Основная задача лазерной окраски нержавеющей стали заключается в точном воспроизведении целевых цветов путём настройки параметров. Ключевыми параметрами, влияющими на цвет, являются мощность лазера, скорость сканирования и частота повторения импульсов. Эти три параметра действуют не независимо друг от друга, а определяют эффект окрашивания через фиксированное пропорциональное соотношение. Исследования показали, что при сохранении одинакового пропорционального коэффициента этих трёх параметров (пропорциональный коэффициент действия лазера) даже при различных конкретных значениях параметров на поверхности нержавеющей стали формируются чрезвычайно схожие цвета и оксидные плёнки.

 

Например, лазерная мощность 20 Вт, скорость сканирования 100 мм/с и частота повторения 200 кГц дают тот же цвет, что и мощность 30 Вт, скорость сканирования 150 мм/с и частота повторения 300 кГц — благодаря постоянству пропорций. Одновременно такие параметры, как длительность импульса и фокусное расстояние, также влияют на качество оксидной плёнки: при фиксированной длительности импульса 4 нс и фокусном расстоянии 210 мм диаметр пятна стабилизируется на уровне 50 мкм, что обеспечивает более равномерное окрашивание. Правило пропорциональности параметров решает проблему сложного воспроизведения цвета при традиционном окрашивании и предоставляет надёжные параметрические рекомендации для массового производства.

 

По сравнению с традиционными методами окрашивания лазерное окрашивание нержавеющей стали обладает явными преимуществами. Во-первых, оно экологически безопасно: весь процесс не требует химических реагентов или красок и основан исключительно на окислительной реакции между лазерным излучением и воздухом, при этом не образуется сточные воды или твёрдые отходы, что соответствует требованиям охраны окружающей среды. Во-вторых, цвета устойчивы и долговечны: образующаяся оксидная плёнка плотно связана с основой из нержавеющей стали, обладает высокой стойкостью к истиранию и выцветанию и способна выдерживать сложные эксплуатационные условия, включая наружное применение и высокие температуры. В-третьих, процесс отличается высокой точностью и гибкостью: лазерное пятно имеет малый размер и чрезвычайно высокую степень управляемости, что позволяет выполнять как тонкую маркировку текста и узоров, так и равномерное окрашивание больших площадей, адаптируясь к изделиям из нержавеющей стали различных габаритов.

 

Кроме того, лазерное окрашивание обладает такими характеристиками, как простота технологического процесса и отсутствие расхода расходных материалов, что позволяет снизить производственные затраты. Например, при обеспечении прослеживаемости продукции лазерное окрашивание может использоваться для нанесения цветных QR-кодов на детали из нержавеющей стали: такие коды не только четко видны и легко распознаются, но и менее подвержены износу по сравнению с печатными метками. В декоративной сфере лазерное окрашивание позволяет создавать градиентные цвета и сложные узоры на листах нержавеющей стали, повышая эстетическую ценность изделий. Благодаря этим преимуществам данная технология получила широкое распространение в таких отраслях, как производство товаров для дома и офиса, медицинское оборудование и архитектурное оформление.

 

Сфера применения технологии лазерной окраски нержавеющей стали постоянно расширяется. В промышленном производстве её можно использовать для нанесения фирменных логотипов и маркировки эксплуатационных параметров изделий из нержавеющей стали: цветная маркировка одновременно привлекает внимание и обеспечивает защиту от подделок. В области декоративного дизайна эта технология позволяет придавать индивидуальную окраску дверям, окнам, мебели и художественным изделиям из нержавеющей стали, избавляясь от однообразной текстуры традиционной нержавеющей стали. В сфере высокотехнологичного производства — например, при изготовлении медицинского оборудования и компонентов для авиакосмической техники — цветная маркировка применяется для классификации деталей и обеспечения их прослеживаемости, что повышает эффективность управления производством.