Гравировка наград – основная область применения механического гравера, также механический гравер-фрезер применяется для создания вывесок, табличек, содержащих название компании, гравировки подарков: ювелирных изделий, рамок картин, пивных кружок, фляжек, бирок на сумках. Механические граверы могут работать с пластиком, акрилом, стеклом, камнем. Возможна и обработка чистых металлов: алюминия, нержавеющей стали, меди, золота, титана, платины.
К полностью автоматическому типу механического гравирования относится и самая современная его разновидность – лазерное гравирование, при котором на поверхности готового предмета или материала лазерным лучом выжигается рельефная картинка. Лазерный луч может быть настолько сильным, что способен испарить часть материала, выполнить гравирование рисунка и в некоторых случаях осуществить резку материала. Диаметр луча и его мощность задаются оборудованием. Диаметр лазерного луча варьируется от десятых долей миллиметра до нескольких долей сантиметра, поэтому изображение может быть как четким, так и размытым, а линии – тонкими или широкими. С помощью изменения мощности луча можно добиться, чтобы одни элементы изображения оставались на поверхности, а другие глубоко врезались в материал.
В зависимости от того, как двигается луч, лазерное гравирование может быть растровым или контурным. Растровый способ эффективнее для фотографий. При растровом гравировании луч скользит по всей поверхности, что очень похоже на принцип печати на струйном принтере. Процесс этот достаточно медленный, зато качество, получаемое на выходе, весьма высокое. Контурное гравирование больше подходит для букв, цифр, тонких линий. Оно более экономично, так как луч проходит только там, где должно появиться изображение. Соответственно, скорость нанесения выше.
В сфере гравирования наиболее известным типом гравировального оборудования являются лазерные граверы CO2. Эти инструменты работают на основе производства молекулами углекислого газа длинного инфракрасного излучения, которое отлично подходит для гравирования и резки многих неметаллических материалов, таких как дерево, пластик, стекло, керамика, кожа, листовой искусственный камень и др. Большинство лазерных граверов CO2 не могут работать с чистым металлом, хотя они успешно производят гравировку на специальном покрытии, нанесенном на металл, например на эмалированной латуни, анодированном алюминии, металле со специальным покрытием.
Другой тип лазерного оборудования представляет собой семейство лазеров, включающее в себя алюмоиттриевый гранат (АИГ) либо твердотельные лазеры. Это семейство лазеров производит отличающийся от лазерных граверов СО2 по длине волны тип светового излучения, который позволяет работать не только с неметаллическими изделиями, но и с чистым металлом, включая большинство не поддающихся обработке на станке субстратов, таких как очень твердые и прочные стали.
В отличие от традиционной системы, в волоконном лазере для создания светового луча используются волоконные световоды, поэтому данный тип лазерного оборудования использует на 50 % меньше мощности и имеет более продолжительный срок службы, чем АИГ– и СО2-лазеры. Работа волоконного лазера основывается на применении не требующих поддержки диодов и ламп, которые отличаются низкими затратами на их приобретение и использование, а меньшая опорная поверхность делает их портативными. Также данный тип лазеров отличается очень маленьким размером лазерного пятна и концентрическим лучом, что способствует более высокому разрешению и микроскопической маркировке. Волоконные лазеры работают на основе лучей той же длины, что и АИГ, что позволяет им также гравировать, испарять, обжигать, сваривать металл, гравировать некоторые виды пластика и керамики.
Разумеется, вся эта техника стоит весьма дорого и применяется, как правило, промышленными предприятиями и крупными частными производствами. К тому же, кроме лазерного станка, необходимо и другое высокотехнологичное оборудование. Прежде всего это вытяжка для поглощения дыма, паров и мелкой крошки, образующихся во время работы станка. В зависимости от типа лазера может понадобиться система охлаждения. Зачастую используется специальный сотовый стол, особенно в том случае, если надо резать тонкий материал. Сотовые столы представляют собой решетку, похожую на соты, которая позволяет лучу проходить сквозь материал, а воздуху – находиться под материалом во время его обработки. Такая технология улучшает чистоту резки, делает края резки более качественными, уменьшая возможность возникновения горения и плавки некоторых типов материала во время обработки.
Если необходимо нанести гравировку на предмет округлой формы, понадобится установка для гравировки предметов с округлой формой, таких как бутылки, стаканы, вазы, ручки и др. Устройство круговой гравировки увеличивает многосторонность применения лазерного оборудования.
И наконец, обязательное условие при лазерной гравировке – наличие компьютера и графического редактора для создания изображений и управления лазерным станком. Фактически такой вид гравировки в плане человеческих трудозатрат сводится к изготовлению изображения на экране компьютера и к ручному ремеслу никакого отношения уже не имеет. Большинство лазерных станков управляются через операционную систему Windows, некоторые поддерживают Mac OS. Хотя некоторые производители предлагают собственное программное обеспечение, разработанное для их лазерного оборудования, фактически все лазерные станки могут работать с такими программами, как CorelDRAW и AutoCAD.
Наиболее важным достоинством лазерной гравировки является ее универсальность. Лазерный станок работает с различными материалами, может быть применен как для индивидуального, так и для серийного производства. С помощью лазерной гравировки вы можете работать по следующим направлениям: персональные подарки и ювелирные изделия, набор торговых знаков, вывесок, указателей и т. п., печати, вывески, призы, награды, идентификационная и промышленная маркировка. Пазлы, шахматы, макеты домов, выкройки и прочие подобные предметы тоже могут быть созданы с помощью лазерного станка.
Однако необходимо подчеркнуть следующие слабые стороны лазерных граверов: СО2-лазер не может работать по чистому металлу и делать скошенные края, обрабатывать ПВХ. Также лазерная гравировка не является многоцветным методом маркировки. Цвета, которые вы можете получить, зависят от реакции обрабатываемого материала на лазерную обработку – само собой, к классическому граверному искусству ее отнести довольно сложно. А поскольку данное издание предназначено для домашних мастеров-самодельщиков, основное внимание мы уделим классическим приемам ручного плоскостного двухмерного гравирования.
Материалы для гравирования
Для гравирования пригодны почти все металлы и многие неметаллические материалы: кость, дерево, пластмассы, стекло, камни некоторых пород и т. п.
Металлы и сплавы
Применяемые для гравирования металлы делятся на три основные группы: черные, цветные и благородные. К первой группе относится сталь; ко второй – медь, цинк, алюминий, олово, свинец, магний и их сплавы; к третьей – серебро, золото, платина. Металлы в чистом виде в качестве конструкционного материала почти не применяют, заменяя их сплавами. Пластичные материалы, такие как красная медь, алюминий, латунь марки Л62, олово, свинец и др., вследствие своей большой мягкости для гравирования малопригодны. Все эти металлы употребляют главным образом при штамповке, клеймении и набивке пуансонами. Для гравирования как ручным способом (штихелями), так и механическим (с помощью пантографа) следует подбирать менее пластичные материалы. Лучшими материалами для гравирования являются: стали У8А, У10, У12, бронза марки Бр2БТ и ОСЦ-4-4-2,5, латунь марки ЛС59, томпак марки Л90, дюралюминий марки Д16Т, гарт. Однако иногда в силу необходимости граверные работы производят и на мягких материалах – малоуглеродистой стали, цинке, бронзе и др.
Углеродистые стали. Этим материалам в производстве уделяется особое внимание, так как сталь используется не только для граверных работ, но и для изготовления граверного режущего инструмента. При использовании стали для гравирования ее непосредственно перед обработкой отжигают, а штихели закаливают.
Сталь – сплав железа с углеродом (2 %) и другими элементами, получаемый главным образом из смеси чугуна, выплавляемого в доменных печах, со стальным ломом. По химическому составу она подразделяется на углеродистую и легированную. Углеродистая сталь наряду с железом и углеродом содержит марганец (до 1 %), кремний (до 0,4 %) и вредные примеси – серу и фосфор. В состав легированных сталей, помимо указанных компонентов, входят так называемые легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан и др.), которые повышают качество сталей и придают им особые свойства. Условные обозначения сталей состоят из букв и цифр. Первые две цифры показывают среднее содержание углерода (в сотых долях процента для конструкционных сталей и в десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей). Буквами обозначают легирующие элементы (алюминий – Ю; бор – Р; вольфрам – В; кобальт – К, кремний – С, марганец – Г, медь – Д, молибден – М, никель – Н, ниобий – Б, хром – X, титан – Т, углерод – У), а цифрами справа от букв – их среднее содержание (например, сталь 2Х17Н2 содержит 0,2 % углерода, 17 % хрома и 2 % никеля. Если за буквой не стоят цифры, это значит, что содержание легирующего элемента не превышает 1,5 %.
По назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные, стали с особыми физическими и химическими свойствами – нержавеющие, жаропрочные, электротехнические и др.
Различают следующие марки инструментальных углеродистых сталей, применяемых в гравировании: У7, У8, У10, У12, У7А, У8А и т. д. Одной из широко используемых марок является сталь У8А. Из нее изготавливают цифровые и буквенные пуансоны, клейма, т. е. инструменты, которые должны обладать достаточной пластичностью при высокой твердости, так как они подвергаются ударам. Эту марку стали используют также для производства матриц при холодной штамповке. Из стали марки У12А делают режущий инструмент, например резцы для пантографа и нанесения штрихов, линий и знаков, штихели различной конфигурации для ручного гравирования, калибрующие маточники и т. п. Когда требуется изготовить режущий инструмент с более высокой стойкостью режущей кромки для обработки твердых материалов (штихели, граверные резцы для пантографа, различные клейма сложной конфигурации), рекомендуется брать для этого легированную инструментальную сталь марки ХВ5.
Цветные металлы. Цветные металлы и их сплавы находят широкое применение при изготовлении шкал, сеток, лимбов и подобных им изделий в приборостроении, а также различных бытовых изделий и бижутерии.
Медь – металл красного цвета, хорошо поддается ковке, прокатке и штамповке в холодном и горячем виде, на ней легко гравировать цифры, знаки, обозначения и линии. Из-за свойства деформироваться и дороговизны медь в чистом виде в гравировальном производстве применяется редко.
Алюминий – металл белого цвета, на воздухе быстро окисляется, но окисная пленка предохраняет его от коррозии. Алюминий хорошо куется, прокатывается и штампуется. В чистом виде алюминий очень мягок и пластичен, но гравировать на нем знаки, линии и обозначения трудно. Более пригодны для гравирования его сплавы с другими цветными металлами. Основным преимуществом алюминия является его легкость.
Цинк – металл голубовато-белого цвета. Как и алюминий, на воздухе быстро окисляется, при этом на его поверхности образуется тонкая пленка, предохраняющая его от дальнейшего окисления. В холодном виде обычно хрупок, легко гравируется, а при нагревании до 120 °C хорошо куется, принимая всевозможные формы. При дальнейшем нагревании цинк снова становится хрупким.
Олово – металл белого цвета, мягкий и тягучий, свободно поддающийся ковке и прокатке. Олово хорошо противостоит действию влаги, воздуха и кислот, легко гравируется. В сплаве со свинцом применяется как припой для пайки.
Свинец – металл серого цвета, быстро тускнеющий на воздухе. Особенностью свинца является его высокая плотность и чрезвычайная мягкость. Любая механическая обработка свинца производится в холодном виде. Свинцовая пыль при плавлении свинца и выделяющиеся газы очень вредны для человеческого организма и вызывают тяжелые отравления.
Цветные сплавы. При изготовлении технических изделий с последующим производством граверных работ наиболее широко применяются латунь, бронза, дюралюминий, гарт и т. д.
Латунь – сплав меди с цинком. Свойства латуни определяются процентным содержанием цинка и других легирующих элементов. Содержание цинка в латуни – от 10 до 42 %. Цифра в марках латуни указывает на процентное содержание в ней меди. Например, марка Л62 обозначает латунь, в состав которой входит 62 % меди, остальное – цинк. Эта марка латуни отличается пластичностью и применяется в граверном деле для штамповки, тиснения клеймами и стальными пуансонами. Латунь марки ЛС59 одинаково успешно используется и для ручного и для механического гравирования, так как дает высокий класс шероховатости.
Томпак – латунный сплав с высоким содержанием меди: не менее 72 % меди и не более 28 % цинка. Чем выше доля цинка, тем тверже сплав, а его цвет светлее, с переходом от красного к золотисто– и светло-желтому. Обладает высокой пластичностью, антикоррозионным и антифрикционными свойствами. К областям применения томпака относятся в основном художественные промыслы, декоративные изделия и монетное дело.
Бронза – сплав меди с другими (кроме цинка) цветными металлами: оловом, алюминием, никелем, кремнием, марганцем и др. Свойства и назначение бронзы различны в зависимости от химического состава. Бронзы подразделяются на алюминиевую, кремнистую, оловянистую, бериллиевую и др. Кадмиевая и бериллиевая бронзы имеют наиболее высокую механическую прочность. Бронзы весьма широко применяются при гравировании.
Дюралюминий – достаточно пластичный и вместе с тем прочный сплав. Дюралюминий содержит, кроме алюминия, медь, магний, кремний и др. Особенно хорошо гравируется механическим способом (т. е. на пантографе).
Типографские сплавы (гарт и др.) являются сплавами свинца, сурьмы и олова. На них хорошо и легко гравировать. Из гарта изготавливают клише с гравировкой и печати различной конфигурации под краску, факсимиле и пр. Применяют и свинцово-сурьмяный баббит, который наиболее дешев и не имеет в своем составе дефицитного металла – олова. Этот сплав легок, а выгравированные на нем изображения сохраняются длительное время.
Пластмассы
Пластмассами называются материалы на основе высокомолекулярных соединений. Путем нагревания они могут быть приведены в пластичное или вязкотекучее состояние, а под давлением – спрессованы или отлиты в изделия требуемой формы. Пластмассы состоят в основном из связывающего материала, пластификатора, наполнителя и красителя. Связывающими материалами служат различные искусственные и естественные смолы (битумы, асфальты, шеллак, канифоль и др.). В качестве наполнителей применяют древесную или кварцевую муку, очесы хлопка, асбестовое или стеклянное волокно, бумагу, хлопчатобумажную ткань, мел, тальк и др., а также различные синтетические материалы. Наполнители, пропитанные связывающим веществом, оказывают существенное влияние на их физико-механические свойства и стоимость и могут содержаться в пластмассах в количестве до 65 %.
В соответствии со свойствами, приобретаемыми при нагреве, пластмассы делятся на две группы:
• термореактивные (необратимые), затвердевающие в результате нагрева и переходящие после отвердевания в неплавкое состояние; к таким пластмассам относятся фенопласты, аминопласты и др.;
• термопластичные (обратимые), не теряющие пластичности при воздействии температуры и давления, отвердевающие при охлаждении и способные плавиться при повторном нагреве. К термопластичным пластмассам относятся: полиэтилен, полистирол, эстролы, амидопласты и др.
Изделия из пластических материалов отличаются малой плотностью, высокими диэлектрическими свойствами, хорошими теплоизоляционными характеристиками, устойчивостью к атмосферным воздействиям, стойкостью к агрессивным средам и резким сменам температур, высокой механической прочностью при различных нагрузках.
Листовые и прутковые материалы являются заготовками для деталей, изготавливаемых механической обработкой. Из пластмасс, применяемых для изготовления изделий с последующим гравированием, наиболее распространены следующие.
Органическое стекло (плексиглас) представляет собой полимеризованный метиловый эфир метакриловой кислоты (полиметилметакрилат). Органическое стекло обладает прозрачностью, не изменяющейся со временем, бесцветностью, морозостойкостью, высокими механическими свойствами, устойчивостью к действию бензина и масел. Недостатками его являются сравнительно низкая теплостойкость (размягчается при нагреве до 85 °С) и недостаточно поверхностная прочность.
Изделия из этого стекла могут быть окрашены в любой цвет путем выдержки в спирто-ацетоновых растворах красителей. Органическое стекло растворяется в дихлорэтане и ацетоне; это свойство используют при склеивании деталей, изготовленных из него. Выпускают органическое стекло в виде листового поделочного материала (толщина листов от 0,8 до 30 мм), который легко поддается всем видам механического и ручного гравирования, хорошо склеивается, формуется и допускает изготовление деталей с любой кривизной.
Целлулоид входит в группу так называемых эфироцеллюлозных пластиков, изготавливаемых на основе различных эфиров целлюлозы и их соединений, получаемых при обработке целлюлозы кислотами или другими веществами. Этот материал бывает прозрачным или непрозрачным, бесцветным или окрашенным. Целлулоид хорошо поддается механической обработке и ручному процессу гравирования, штамповке, склеиванию. Основной недостаток целлулоида – сильная горючесть (вплоть до самовоспламенения при длительном действии прямых солнечных лучей или при нагреве до 100 °С), а также склонность к пожелтению при долгом пребывании на свету. Целлулоид выпускают в листах толщиной от 0,15 до 5 миллиметров.
Винипласт – термопластический материал коричневого цвета. Он обладает чрезвычайно высокой стойкостью к действию воды, бензина, масел, спирта, кислот, щелочей, хорошими диэлектрическими свойствами и большой прочностью на удар; растворяется винипласт в дихлорэтане, ацетоне, бензоле и др. Применяется как конструкционный и электроизоляционный материал, изделия из которого изготавливают методами механической обработки. Винипласт хорошо поддается механическому гравированию, хуже – ручному. Недостатком винипласта является невысокая морозостойкость. При температуре ниже 15 °С материал приобретает хрупкость. Промышленностью выпускается в виде листов и плит толщиной от 1 до 20 мм и в виде труб с внешним диаметром от 10 до 166 мм и толщиной стенки 2–80 миллиметров.