Метод проектирования технологического обеспечения системы металл-стекло в предметной области дизайна

Актуальность работы.

Развитие любой теории, любого научного направления всегда связано с проведением определённых исследований и экспериментов в различных областях науки и техники. Эксперимент в дизайне заключается в проверке какого-либо принципа моделирования композиционного динамического темпорального образа его объектов через формообразование и цвет, создании новых технологических процессов, комбинаторном использовании искусственных и естественных материалов на основе постоянного взаимопроникновения художественных, технических и научных начал.

Научно-технический прогресс пронизывает все сферы деятельности человечества и одним из его проявлений является, внешность человека и его пространственно-временная среда обитания, при этом в дифференцированном, эксклюзивном, системном подходе.

Изменения в обществе: социальные, технические или экономические каждый раз являлись толчком для прогресса дизайна во всех его инновациях и проявлениях, в том числе и в декоративном искусстве.

Современная наука позволяет сегодня получать металл в стеклообразном состоянии, стекло с кристаллической структурой, обладающие ценными механическими, оптическими и электрическими свойствами, которые можно целенаправленно изменять в ходе решения дизайнерских задач, находя новый химический состав стекол или создавая композиты данного класса. Это расширяет возможности дизайнера в удовлетворении эстетических потребностей человека за счет получения новых элементов в развитии суперграфики, т. е. контрастном сопоставлении цветографической и первоначальной формы.

Декодирование на стекле, как одна из динамических форм моделирования образа объектов дизайна в общей теории технологии декорирования, послужило основой для проведения научных исследований и разработки метода нанесения металла на стекло, гармонично развивая композиционные и дизайнерские тенденции в современной графике и суперграфике. 5.

Одними из определяющих этапов в современном процессе создания художественно-эстетических изделий на стадии проектирования объектов дизайна являются:

— моделирование предметной области объектов дизайна;

— моделирование композиционного образа и художественных стилей в тенденциях развития современного искусства;

— системный анализ свойств материалов и технологий изготовления данного покрытия, проведенный с использованием последних достижений в области информационных технологий и искусственного интеллекта;

— синтез, полученных в ходе исследования свойств и характеристик материалов и технологических процессов, для реализации поставленной задачи.

Метод получения металлических покрытий оказывает существенное влияние на себестоимость продукции, а, следовательно, на национальный и международный потребительский рынок за счет улучшения эстетических свойств, экологической безопасности применяемой технологии и экономии энергоресурсов и материалов.

В настоящее время вопросы использования металлических покрытий на стекле в художественно-декоративных целях изучены недостаточно. В большинстве периодических изданий и научных источниках информации в области получения покрытий на стекле, рассматриваются только вопросы технологии нанесения декоративных покрытий, но при этом отсутствуют исследования декоративных свойств и характеристик в процессе создания художественного произведения или объекта дизайна.

Получение металлических покрытий на стекле, задающих динамику и кинематику темпорального образа, как суммарную цветовую и пластическую его активность с определённым сюжетным эмоциональным решением, определяет ряд имеющихся художественных и технологических проблем, требующих разработки научно-методического обеспечения или алгоритма, позволяющего управлять их декоративными свойствами и характеристиками, что и показывает актуальность проведённой работы.

Объект и предмет исследования.

Объектом исследования является модель предметной области, состоящая из множества объектов, сущностей дизайна, их свойств, состояний, которые могут меняться под действием некоторых операторовотношений, в которые могут вступать объекты моделируемой предметной областиопераций, действий с этими объектами через изменение их свойств и отношений между ними, которые допустимы в данной модели предметной области, представляющей собой в конкретном сюжете пастообразные препараты, содержащие благородные металлы, а также образцы металлических покрытий на стекле.

Предметом исследования являются операции, действия, процессы, изменяющие свойства и состояния данных объектов дизайна, а именно технологические и физико-химические процессы нанесения металлических покрытий на стекло.

Цели и задачи исследований.

Целью работы является разработка научно обоснованного метода получения декоративных металлических покрытий на стекле с заданными колористическими свойствами, используя возможности технологии деколирования. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

1. Провести комплексное исследование влияния технологических параметров процесса изготовления печатных изображений посредством технологии деколирования на качество передачи изображения.

2. Провести анализ и комплексное исследование влияния содержания благородных металлов в покрытии на его цветовые характеристики.

3. Установить зависимость температуры и времени обжига на цветовые характеристики декоративных металлических покрытий.

4. Установить зависимость температуры и времени обжига на качество передачи контура изображения на металлическом покрытии.

5. Разработать методику количественной оценки цвета, использование которой на практике позволит воспроизводить покрытия требуемого оттенка.

6. Разработать рекомендации для производства по внедрению технологий с применением предложенных методик.

Методы исследования.

В работе использовались основные положения теории спектрофотометрии, применённые для получения количественных характеристик цвета покрытия. В основу этих методов положены принципы светотехнических измерений, в частности, основные положения теории цвета. Экспериментальные измерения для получения сравнительных характеристик выполнены с помощью спектрофотометра СФ-10, Пульсар 1 и блескомераБФО-1.

Химический состав материала покрытий определяли с использованием элетронно-микрозондового метода при помощи сканирующего электронного микроскопа CamScan с энергодисперсионным анализатором Link AN 100 000, структуру изучали методом оптической микроскопии на микроскопе ZEISS Axio-lab, шероховатость измеряли оптическим методом на приборе МИС 11, размеры покрытий — методом неразрушающего контроля с помощью электромагнитного толщиномера Константа-К5.

Для получения образцов использовали специальное оборудование: муфельную печь JP Selecta FN- 80 L 1100 (Испания), с погрешностью измерения температуры ± 10 °Снизкотемпературную печь с принудительной конвекцией SNOL 24 /200 LFN (Литва) — засветочный шкаф Beltron beltromat 815 (Германия) — печатную машину Thieme 1010 (Германия) — автоматическое оборудование для нанесения копировальных слоев Harlacher (Швейцария) — пресс гидравлический Orofranco 15 тонн (Италия) — принтер Canon Pixma iP 1600 (Япония) — пневматический диспенсер EFD (США).

Обработка результатов проводилась с применением методов математической статистики на ПК с использованием стандартных программ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 .Установлена зависимость между изменением цвета, блеска металлических покрытий на стекле и режимом обжига в интервале температур 480−690°С.

2. Установлена зависимость между изменением цвета металлических покрытий на стекле и процентным соотношением благородных металлов, входящих в состав покрытия.

3. Выявлена зависимость между применяемой технологической оснасткой для печати деколей, режимом обжига деколей и качеством контура декоративного изображения на металлических покрытиях на стекле.

4. Определены технологические параметры печати деколи и режимы обжига, обеспечивающие заданные декоративные свойства металлических покрытий из благородных металлов.

5. Разработаны рекомендации, позволяющие расширить спектр информационных и дизайнерских решений при внедрении методики деколирования в технологический процесс нанесения декоративных металлических покрытий на стеклянные изделия.

Практическая значимость работы.

Разработанные в диссертации методики позволяют получать металлические покрытия на стекле с необходимыми декоративными свойствами, повышать точность воспроизведения требуемого оттенка покрытия посредством варьирования режимов обжига, минимизировать материальные затраты в процессе производства художественных изделий из стекла, а также способствовать увеличению серийности изделий, снижению трудозатрат и себестоимости продукции.

Результаты работы внедрены с положительным эффектом в ювелирные производства: ООО «Ювелирная группа» Безар" (СПб), ООО «Велес» (СПб) и ОАО «Росювелирпром» (СПб), в производство художественных изделий из стекла ООО «МиК» (СПб).

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на: научно-технических конференциях и семинарах СПГУТД (СПб., 2004;2011) — заседаниях кафедры технологии художественной обработки материалов и ювелирных изделий СПГУТД (СПб., 2008;2012) — Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (Томск, 2008, 2009 и 2011) — XI11 и XIV СПб Ассамблеи молодых ученых и специалистов: Фонд «ГАУДЕАМУС» (СПб., 2008, 2009). XIИ Всероссийской конференции (с Международным участием) «Технология художественной обработки материалов» (М., 2010 г.) — 11 областной научно-практической конференции «Проблемы совершенствования и перспективы развития художественного образования и эстетического воспитания в регионе» (Липецк-Елец, 2010) — IV Международной конференции: Технические университеты: интеграция с европейскими и мировыми системами образования (Россия, Ижевск, 2010);

Работа была поддержана Премией Министерства образования и науки РФ в рамках программы Национальный проект «Образование» (М., 2009) и Грантом (№№ 3.4/3.4/ 30−04/20 и 3.4/04−05/071) Правительства СПБ (СПб, 2008, 2009).

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованных источников из 103 наименований, 7 приложений. Текст работы изложен на 181 странице, содержит 55 рисунков, 21 таблицу.

выводы.

Результаты исследований позволили сформулировать общие выводы по работе и перспективные направления развития темы:

1. Решена проблема создания сюжетных металлических покрытий для художественных изделий из стекла путем разработки метода проектирования технологического обеспечения системы металл-стекло. Систематизация параметров технологии изготовления деколи и проведённый комплексный анализ влияния режимов обжига на декоративные показатели позволили создавать металлические покрытия с заранее спроектированным цветом.

2. Установлено, что:

— увеличение температуры обжига наиболее интенсивно влияет на цветовые характеристики металлических покрытий в интервале температур от 540 до 630 °C, вследствие уменьшения концентрации A g;

— нагрев образцов до температуры верхней границы диапазона обжига и длительность их выдержки при более низкой температуре являются взаимозаменяемыми процессами, т.к. дают похожие результаты цветовых параметров металлических покрытий, что особенно важно для изделий сложной конфигурации;

— увеличение содержания благородных металлов в препаратах, используемых для изготовления деколи влияет на цвет металлического покрытия: с увеличением. содержания Au длина волны возрастает, с увеличением содержания Pt, Pd nAgубывает.

3. Разработанный метод проектирования технологического обеспечения системы металл-стекло позволяет получать покрытия с необходимыми декоративными свойствами и повышает точность воспроизведения требуемого оттенка покрытия посредством варьирования режимов обжига.

4. Увеличение температуры обжига в начале интервала возникновения текучести стекломассы до 640 °C — начало выгорания металлического покрытия, увеличивает адгезию от 170 до 350 МПа.

5. Создана информационная система «Цвет металлических покрытий на стекле» с использованием Microsoft Access 2007 для управления цветом металлических покрытий в зависимости от режимов термической обработки. Разработаны базовые таблицы, интерфейс и программное обеспечение.

6. Предложен перечень рекомендаций по разработке и внедрению технологии в процесс производства и реставрацию. Апробация результатов работы в производственных условиях подтвердила эффективность предлагаемой методики проектирования цвета покрытий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключении отражены основные результаты работы, сформулированы общие выводы и перспективные направления развития темы.

Основной принцип методики проектирования декоративно-защитных свойств покрытия представляет собой выбор и поиск оптимального соотношения декоративных и защитных свойств, который осуществляется за счет регулировки внешних и внутренних технологических параметров.

Предложенная в работе технология получения декоративных металлических покрытий позволила разработать способ создания силуэтных и орнаментальных изображений методом нанесения металлического декоративного покрытия заданного цвета на изделия из стекла.

Способ может быть использован при изготовлении художественных изделий и реставрации памятников прикладного искусства, мебели, люстр и других изделий, имеющих конструктивные и декоративные элементы из стекла с поверхностным золочением. Способ позволяет создавать металлические покрытия из благородных металлов, имитирующие гравировку в технике эгломизе. Характер изображений может быть как орнаментальный, так и сюжетный. При трансфер-ном методе нанесения покрытия из благородных металлов на стекло выбирают процентное содержание металлов в препарате, скорость подъёма температуры в объёме печи, максимальную температуру обжига, время выдержки при максимальной температуре. Таким образом, регулируют количество благородных металлов в препарате по отношению друг к другу и режим обжига для получения покрытия заданного цвета. Скорость подъёма температуры в объёме печи не должна превышать 100−150 °С / мин, так как это влияет на растекание препарата и, как следствие, на качество передачи изображения. Обжиг производится в интервале температур от 520 до 630 °C. Перед нанесением покрытия стекло предварительно отжигается с целью снятия остаточных напряжений и удаления органических загрязнений при температуре выше 400 °C. Способ обеспечивает получение силуэтных и орнаментальных изображений методом нанесения металлического покрытия серебристого или серебристо-голубого, или светло-желтого, или жёлтого, или красновато-желтого цвета.

Способ создания декоративных покрытий методом декодирования может быть использован при реставрации памятников прикладного искусства, мебели, люстр и других изделий, имеющих конструктивные и декоративные элементы из стекла с поверхностным золочением и т. п., имеющих утраты, или при создании новых изделий.

Известны способы нанесения металлических покрытий на стекло методами плазменного (газотермического) напыления и вакуумного магнетронного напыления тонких пленок металлов или их оксидов.

Плазменное напыление — процесс нанесения покрытия на поверхность изделия с помощью плазменной струи. Сущность плазменного напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подаётся распыляемый материал, который нагревается, плавится и в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с поверхностью основы или напыляемым материалом и формирование покрытия. Плазменным напылением наносятся износостойкие, антифрикционные, жаростойкие, коррозионностойкие и другие покрытия. Напыление металлов и оксидов металлов (титана, нержавеющей стали, бронзы и других) производится на стёкла толщиной от 2 до 19 мм. В зависимости от производительности распыления, скорости перемещения распылителя, термических условий на подложке и других параметров режима напыления толщина слоя покрытия, нанесенного за один проход, составляет 30−100 мкм [1].

Вакуумная металлизация (вакуумное напыление) — это процесс, основанный на создании в вакууме газовой фазы напыляемого металла (катода) и осаждением его на напыляемые изделия.

Известны разные методы создания газовой фазы металла. Один из нихвысокоэффективный метод магнетронного вакуумного напыления. Суть этого метода заключается в бомбардировке поверхности катода ионами рабочего газа, которые образуются при горении магнетронного разряда, что приводит к распылению материала катода. Использование цилиндрического катода позволяет производить вакуумную металлизацию изделий самых разных форм и размеров, ограниченных лишь габаритами используемых вакуумных камер, внутри которых расположен магнетрон. Толщина покрытия составляет 0,2−0,3 мкм [2].

Следует отметить, что оксидные плёнки, полученные из металлов и оксидов металлов (титана, нержавеющей стали, бронзы и других) методом плазменного напыления, недостаточно коррозионностойки и со временем, под действием агрессивных факторов окружающей среды изменяют цвет. Кроме того, сам метод непригоден для нанесения благородных металлов вследствие большой потери напыляемого материала в процессе создания металлического покрытия на поверхности изделия.

Получение металлических покрытий на стеклах методом вакуумной металлизации является энергоёмким и малопроизводительным, кроме того, размеры изделия регламентируются размерами вакуумной камеры и температурой размягчения стекломассы.

Вышеперечисленные группы методов являются малопригодными для реставрации художественных изделий, имеющих конструктивные и декоративные элементы из стекла с поверхностным золочением, вследствие несоответствия предоставляемого спектра оттенков покрытий имеющимся историческим образцам. Также, вышеперечисленные методы не позволяют изготавливать изображения, имитирующие гравированные.

В качестве прототипа выбран способ получения силуэтных и орнаментальных изображений в технике эгломизе. Техника эгломизе относится к разряду «холодной» живописи «под стеклом». Но, строго говоря, её нельзя отнести к чисто живописным техникам, так как основной её составляющей является нанесение на стекло при помощи какого-либо прозрачного клея металлической фольги (чаще всего используется листовое золото, но встречаются работы с листовым серебром и даже цинковой фольгой) с последующей гравировкой по ней рисунка тонкой иглой. После удаления фольги с тех мест, где должно быть видно изображение, прямо на фольгу наносится какая-либо краска (чаще всего чёрная). Вследствие этих операций иа лицевой стороне стекла можно увидеть черный (или какого-нибудь другого цвета) рисунок на золотом (серебряном и т. п.) фоне.

Задача предложенного способа — создать графическое изображение на стекле (при реставрации изделий из стекла или при создании новых изделий) при нанесении металлического покрытия на поверхность методом деколирования.

Эта задача решается путём компьютерной обработки графического изображения, последующей его печатью методом шелкографии специальными препаратами, содержащими благородные металлы в определённой пропорции нужной для заданного цвета, нанесении напечатанного изображения на подготовленную стеклянную основу и обжиг в муфельной печи по определённому режиму для корректировки цветового оттенка.

В заявленном способе точность передачи графического изображения регулируется технологической оснасткой при печати методом шелкографии и скоростью подъёма температуры в объеме печи.

Цветовые характеристики покрытия зависят от качественного и количественного содержания благородных металлов в препарате и технологического режима обжига.

Экспериментально установлено, что:

— увеличение температуры обжига наиболее интенсивно влияет на цветовые характеристики металлических покрытий в интервале температур от 540 до 630 °C. На основании данных электронно-микрозондовового анализа можно заключить, что изменение цвета образцов происходит вследствие уменьшения концентрации при нагревании;

— нагрев образцов до температуры верхней границы диапазона обжига и длительность их выдержки при более низкой температуре являются взаимозаменяемыми процессами, т.к. дают похожие результаты цветовых параметров металлических покрытий. При увеличении температуры обжига свыше 640 °C на образцах появляются следы выгорания металлического покрытия покрытий, что особенно важно для изделий сложной конфигурации;

— увеличение содержания благородных металлов в препаратах, используемых для изготовления деколи, влияет на цвет металлического покрытия: с увеличением содержания Аи длина волны возрастает, с увеличением содержания Pt, Pd и Agубывает;

— при увеличении температуры обработки изменяется цвет декоративного покрытия, особенно при температуре свыше 580 °C. Текстурные особенности также изменяются: при 520 °C контуры покрытия ровные, не просвечивающие, переход от края к центру образца равномерный, поверхность гладкая без сильно выраженного рельефа.

С изменением температурного режима в сторону увеличения контур покрытия становится тоньше и уже, переход от контура к центру образца делается более резким. Цвет отличается большей насыщенностью. Поверхность менее равномерна.

Свыше 600 °C происходят сильные изменения. Контур приобретает не однородность, становится еще более тонким. Переход от контура к центру — резкий. Покрытие имеет более бледный оттенок и весьма неоднородно. При микроскопическом наблюдении с увеличением X 50 выражены следы спекания. Свыше 650 °C контур почти прозрачен, переход от края к середине образца резко выражен, поверхность неоднородна с хорошо образованными следами спекания, цвет менее насыщен. Влияние изменения температурного режима на физическое состояние поверхности образцов, наблюдаемое микроскопически, не определяется визуально и проявляется в изменении цвета покрытия и его плотности;

— увеличение температуры обжига в начале интервала возникновения текучести стекломассы до 640 °C — начало выгорания металлического покрытия, увеличивает адгезию от 170 до 350 МПа. Увеличение адгезии металлического покрытия со стеклянной основой связано с увеличением пластических свойств стеклянной основы и имеет механический (адсорбционный) характер.

Практическое применение способ находит при реставрации антикварной и художественной мебели, имеющей стеклянные вставки, выполненные в технике эгломизе.

Утраченные вставки воссоздаются на основании прямых аналогов или имеющегося иконографического материала.

Изображение проходит обработку на ПК при помощи графического редактора: отрисовывается линейный контур и задаётся габаритный размер. Далее по цифровой версии изображения изготавливается деколь в натуральную величину. Металлосодержащий препарат подбирается с учётом требуемых цветовых характеристик.

Деколь наносится на боросиликатное стекло марки Ml (ГОСТ 111−90), как правило, толщиной 2 ± 0,3 мм, и просушивается в течение 24 часов.

Полученная таким образом заготовка помещается в муфельную печь и обжигается. Формирование металлического декоративного слоя осуществляется в несколько стадий. На первой стадии в интервале температур от комнатной до 200 °C происходит высыхание деколи.

В процессе подъема температуры до 400 °C сгорают органические компоненты. При этом формируется металлическая пленка. Скорость подъёма температуры составляет 100—150 °С / час.

Достижение максимальной температуры и требуемая длительность выдержки в печи являются определяющими факторами силы адгезии декоративного слоя и стеклянной основы после обжига. Как основа, так и форма объекта определяют допустимую максимальную температуру обжига.

Температура обжига находится в интервале от 530 до 640 °C. Температура обжига и время выдержки выбирается исходя из требуемого оттенка металлического покрытия.

Как правило, чем выше температура обжига, тем лучше адгезия. Скорость охлаждения не оказывает влияние в такой степени на качество металлического декорирования, как технологические параметры обжига. Тем не менее, не рекомендуется резко прерывать процесс обжига после выдержки в печи.

В результате получается металлическое покрытие толщиной около 0,1 мкм, которое состоит из благородных металлов и с течением времени под воздействием агрессивных факторов внешней среды не изменяет своих цветовых характеристик. Полученное изделие обрезается в размер и устанавливается в изделие.