Технологии гравирования и модифицирования поверхности стекла

Гравирование (от нем. gravieren, франц. graver - вырезать на чём-либо) - это процесс создания изображения, орнамента и т. п. на поверхности стекла или других твердых материалов, путем модифицирования (изменения, нарушения) физической и/или химической структуры этой поверхности.

Выгравированные на поверхности камня, дерева или кости изображения встречаются среди археологических находок, начиная с эпохи палеолита, а также на более поздних металлических изделиях. Поэтому развитие технологий гравирования на поверхности стекла было вполне естественным. Вероятнее всего, первой была освоена технология ручного гравирования абразивным инструментом. Ручное (механическое) гравирование производится металлическим или абразивным инструментом (резцом, кругом и т. п.). Это один из самых сложных и трудоемких способов декорирования стекла, который не позволяет репродуцировать изображение, т.е. создавать идентичные копии.

В настоящее время используют следующие технологии ручного гравирования: метод гранения, метод шлифования, метод резания и метод выстукивания.

Гравирование методами гранения и шлифования заключается в механическом удалении с обрабатываемой поверхности мелких частиц стекла с помощью абразивного или металлического инструмента, после чего поверхность становится матовой. При необходимости, ее можно отполировать. Заметим, что гранение до сих пор является одним из основных способов декорирования изделий из хрусталя и боросиликатного стекла. Эта методика появилась в результате расширения области применения технологий огранки драгоценных камней. Разновидностью метода гранения является алмазное гранение или алмазная резьба - способ декорирования хрустальных изделий, при котором рисунок создается нанесением глубоких прорезов трехгранного сечения.

Различие между методом шлифования и методом гранения заключается в том, что при гранении на поверхности стекла создаются плоскости (грани), а при шлифовании декоративный эффект достигается с помощью небольших и неглубоких рисок, нанесенных абразивным инструментом на поверхность стекла.

При гравировании методом резания изображение на поверхности стекла "выцарапывается" стеклорезом или другим специальным высокотвердым инструментом.

В процессе гравирования методом выстукивания изображение на стекле состоит из совокупности точечных повреждений гладкой поверхности, которые нанесены ударами специального метчика.

Достаточно широкое распространение получило абразивно-струйное гравирование, более известное как пескоструйная обработка, в силу относительной простоты технологического процесса, высокой производительности, а также возможности серийного производства однотипных изделий. Мелкие частицы абразивного материала, ударяясь с большой скоростью о поверхность изделия, скалывают небольшие частицы стекла. В результате вся обрабатываемая поверхность приобретает непрозрачный матовый характер, поскольку покрывается микроскопическими сколами, каждый из которых размещен под случайным углом к плоскости стекла.

Физико-химическим гравированием можно назвать технологию создания на поверхности стекла узоров типа "мороз" или "изморозь". Методика основана на физико-химических процессах происходящих при взаимодействии стекла с компонентами костного или мездрового клея при его высыхании и затвердевании. Связи, возникающие между частицами стекла и клея оказываются более прочными, чем силы сцепления частиц стекла между собой. Вследствие этого, в клеевом слое при высыхании и затвердевании возникают механические напряжения, деформирующие его таким образом, что клей вырывает с поверхности стекла частицы, оставляя раковины различной формы, которые создают уникальный рисунок, напоминающий морозные узоры на заиндевевших зимой окнах.

Научно-технический прогресс породил и несколько современных технологий гравирования, таких как ультразвуковое, электродное, электронно-ионное, объемное и поверхностное лазерное гравирование.

Технология ультразвукового гравирования основана на свойстве ультразвуковых колебаний при небольших амплитудах переносить большую энергию. Высокая интенсивность воздействия ультразвукового излучения на абразивные частицы приводит к соударению этих частиц с обрабатываемой поверхностью стекла с силой, в тысячи раз превосходящей их вес.

При электродном гравировании поверхность стекла разрушается электрической дугой, возникающей в месте соприкосновения электрода со стеклом, которое помещено в емкость с электролитом. При движении электрода по поверхности стекла, оно растрескивается в стороны от линии, вдоль которой перемещается электрод. Но температура дуги настолько высока, что растрескавшаяся поверхность сразу же сплавляется.

Еще одним способом художественного декорирования поверхности стекла является технология электронно-ионного гравирования. Процесс заключается в одновременном воздействии сканирующего электронного луча на стекло и осуществлении ионного обмена в ванне расплава соли металла, куда помещено изделие. Между источником электронного луча и ванной ионного обмена прилагается необходимое напряжение. При этом сканирующий электронный луч модулируется по интенсивности в зависимости от необходимой насыщенности элементов изображения.

Лазер - источник электромагнитного светового излучения видимого, инфракрасного или ультрафиолетового диапазонов, работа которого основана на вынужденном когерентном излучении атомов и молекул. Исключительно высокая эффективная температура лазерного излучения и возможность концентрировать энергию в ничтожно малом объеме открыли уникальные возможности применения лазеров в рамках различных технологий. Вполне закономерным стало их использование и в процессах резки, сверления, а также декорирования стекла. С помощью лазера можно создавать не только плоские изображения на поверхности, но и двух или трехмерные изображения в массе стекла. Метод лазерного гравирования основан на воспроизведении штриховых и полутоновых изображений путем прямого воздействия сфокусированного лазерного излучения на обрабатываемое изделие. Одним из основных преимуществ технологии лазерного гравирования перед другими методами является отсутствие напряжения в стекле после обработки.

Достаточно давно начала применяться и технология травления - другой способ модифицирования стекла и других твердых материалов путем растворения поверхностного слоя химически активными веществами. В основе технологии - процессы химического разрушения кремнекислородных образований и оксидов в поверхностных слоях стекла с образованием нерастворимых (матовое стекло) или растворимых (прозрачное стекло) солей, прочно связанных с поверхностью. Для обработки стекла травлением употребляют преимущественно плавиковую (фтористоводородную) кислоту, которая оставляет на поверхности стекла слой фторсодержащих солей. Образующиеся кристаллы нерастворимых солей препятствуют дальнейшему разрушению поверхности, но, в промежутках между уже сформированными кристаллами, плавиковая кислота продолжает разрушать стекло. Это происходит до тех пор, пока вся поверхность не покроется сплошным слоем нерастворимой соли. В итоге, на стекле образуются неровности, усиливающие рассеяние света и обусловливающие матовый, шероховатый характер поверхности. Ее фактура, в каждом конкретном случае, зависит от размера кристаллов нерастворимых солей и их количества на единицу площади, а также от химического состава стекла и скорости протекания реакции. К настоящему времени развитие химических методов декорирования поверхности стекла привело к появлению нескольких десятков способов травления стекла, как с использованием плавиковой кислоты, так и без нее.

Поверхность стекла можно модифицировать и другими химическими способами: выщелачиванием оксидов металлов (так называемая "технология просветления"), а также диффузией ионов серебра или меди в поверхностный слой стекла с одновременным выходом ионов щелочных металлов.

Технология нанесения просветляющих покрытий была разработана в начале прошлого столетия как один из способов увеличения коэффициента пропускания света в сложных оптических системах, состоящих из нескольких линз - объективы, окуляры и т.п. Для декорирования стекла эта технология стала применяться относительно недавно. В основе эффекта просветления лежит явление интерференции световых волн отраженных от наружных и внутренних границ просветляющего слоя (пленки). При определенной толщине слоя, в результате взаимного "гашения", интенсивность отраженного света становится ничтожно малой, а интенсивность проходящего света максимальной. Просветленная поверхность стекла приобретает не только повышенную прозрачность, но и оттенок (определенного цвета или радужный), который зависит от толщины и равномерности просветляющего слоя, а также от угла падения света. Полученные цветовые и световые эффекты и используются для декорирования (в большинстве случаев, небольших стеклоизделий).

Диффузия стекла (цветное травление, цветная протрава) - особая методика декорирования стекла химическим способом. При использовании этой технологии на поверхность стекла наносится суспензия (называемая лессирующей), содержащая соединения серебра или меди. При высокой температуре ионы металлов из лессирующего слоя диффундируют в поверхностный слой стекла, а ионы щелочных металлов покидают его. Таким образом, ионы серебра или меди, проникая на определенную глубину, изменяют химический состав стекла и окрашивают его.

Упомянутые технологии гравирования можно классифицировать по способу воздействия на поверхность стекла: механическим разрушением, химическим травлением или плавлением. Нанесение узоров типа "мороз" или "изморозь", является исключением из этой классификации, так как поверхность стекла хоть и разрушается механически, но в результате ряда процессов физико-химического характера.

Кроме того, одной из важнейших характеристик той или иной технологии является возможность тиражирования идентичных изображений (репродуцирование). В связи с этим часть технологий можно использовать для создания только уникальных изделий, а часть - для массового изготовления серийной продукции.

Предоставлено: www.graving.biz
Автор Сергей Литвиненко