Классификация конструктивно-технологических свойств лазерных установок и признаки их проявления
Под конструктивно-технологическими свойствами современных промышленных установок следует понимать совокупность конструктивных особенностей, технологических характеристик, режимов и параметров работы, определяющих сущность конкретной установки. Необходимость включения конструктивно-технологических свойств промышленных установок в список объектов судебной механоскопической экспертизы производственно-технологических следов вполне очевидна. Поскольку ранее конструктивно-технологическим свойствам промышленных установок в криминалистической литературе должного внимания не уделялось, представляется обоснованным рассмотреть соответствие вновь вводимых свойств категории объектов судебной экспертизы.
Необходимо отметить, что в криминалистике до сих пор не сложилось однозначного мнения по поводу соотношения понятий: объект исследования, его свойства и признаки. В дальнейшем мы будем придерживаться для определенности одного из обоснованных логических построений, с которым согласны многие ведущие ученые-криминалисты. При этом, включая конкретные конструктивно-технологические свойства производственных установок в категорию объектов исследования, будем прослеживать всю логическую цепочку «свойство - его проявление в признаках - отображение признаков в следах». Именно этот подход даст возможность объективно классифицировать конструктивнотехнологические признаки, а также выбрать из всего их множества те, которые способны отображаться в следах обработки на изделиях промышленного производства.
Объект исследования (познания) - понятие сложное, многогранное. В общем случае, под объектами научного познания понимают все то, что может познаваться субъектом: материальные тела, физические явления, фундаментальные свойства природы (гравитация, электромагнетизм, ядерные, атомные и химические реакции и превращения, мышление, раздражимость и др.). Другими словами, объектом научного познания может быть всё то, что выражает какую- либо часть объективной действительности и включено в познавательнопрактическую деятельность человека.
В отличие от естественнонаучных исследований в рамках криминалистической экспертизы решаются задачи, которые представляют интерес для раскрытия, расследования и предупреждения преступлений. Поэтому, при проведении экспертных исследований изучаются далеко не все свойства объекта, а только те, которые необходимы для решения конкретной экспертной задачи. Это приводит к появлению особенностей при определении свойств объекта криминалистической экспертизы.
Понятие «свойства объекта криминалистической экспертизы» раскрывается в частных криминалистических теориях: криминалистическом учении о признаках и теории криминалистической идентификации. В них содержатся определения свойств и признаков объектов экспертного исследования, устанавливается соотношения между ними, обосновываются основания для классификации признаков.
Основные теоретические положения, касающиеся проведения экспертных исследований, могут быть кратко сформулированы в следующих утверждениях:
- любой объект криминалистической экспертизы обладает множеством свойств, которые образуют целые системы и комплексы. Эти свойства существуют объективно и независимо от сознания субъекта;
- свойства объектов выражаются или проявляются в признаках, при этом каждое свойство может проявляться во множестве признаков. Другими словами, признак есть информационное проявление свойства;
- в свою очередь, некоторые признаки могут отображаться в следах, что делает возможным проведение экспертных исследований следообразующих объектов как непосредственно, так и по их следам.
Следует подчеркнуть, что определение «признак - проявление свойства» понимается в достаточно широком смысле. Свойства и признаки объектов криминалистических экспертиз могут быть связаны как с самим материальным телом (предметом, вещью), так и с событиями, явлениями и процессами. Однако, в любом случае, изучаемые в рамках экспертизы свойства, носят «прикладной характер», а само их изучение возможно только на основе установленных ранее фундаментальных свойств, законов и закономерностей, полученных опытным путем. Приведем несколько примеров, показывающих отличие фундаментальных свойств природы от прикладных свойств, составляющих сущность объектов экспертных исследований.
Известно, что в природе существует фундаментальное свойство материальных тел - механическое движение. Теоретические законы механики хорошо изучены и подтверждены экспериментально. Объектом же трасологических экспертиз часто становится не само механическое движение, а свойство перемещения различных предметов относительно неподвижной окружающей обстановки. Признаком этого свойства является изменение координат предметов за какой-то интервал времени, наличие определенной скорости. Признаки перемещения способны отображаться в следах. Так, о самом факте относительного перемещения предмета можно судить по наличию следов качения или скольжения, а по признакам, отобразившимся в следах, можно оценить скорость и направление перемещения.
Все материальные тела обладают фундаментальным свойством притягиваться друг к другу (закон всемирного тяготения). Это свойство описывается простым физическим соотношением, которое хорошо выполняется для любых тел, обладающих массой. Для земных условий закон всемирного тяготения выражается в появлении определенной силы, которая действует на любые предметы - силы тяжести или веса. Именно свойство предметов обладать определенным весом, может выступать в роли объекта экспертизы. Так, в рамках трасологических экспертиз может решаться вопрос о примерном весе человека или животного на основании исследования общих признаков, отобразившихся в объемных следах.
Фундаментальным свойством природы является то, что вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях (не считая плазмы) - газообразном, жидком и твердом. При этом, вещества находящиеся в конденсированном состоянии (жидкость, твердое тело), оказывают сильное сопротивление изменению объема. Твердые тела, помимо этого, оказывают сильное сопротивление изменению формы. Неизменность формы твердого тела выражается в его свойствах - устойчивые пространственные границы, наличие поверхностного рельефа и его конкретный вид. Данные свойства проявляются во внешних признаках, к которым относятся форма предмета, его размеры, выраженность рельефа поверхности, наличие отдельных рельефных особенностей, их размеры, расположение и взаиморасположение и др. Твердые тела, к которым относятся многие вещи и предметы с описанными выше свойствами, являются объектами многих видов трасологических исследований. Внешние признаки способны наиболее полно отображаться в следах, что часто приводит к отображению индивидуализирующего комплекса признаков, на основе которого возможно отождествление следообразующего объекта.
Относительно конструктивно-технологических свойств промышленных установок также можно утверждать, что они имеют «прикладной характер» и в полной мере соответствуют категории объектов экспертного исследования. Они объективно существуют, однозначно выражаются через конструктивно-технологические признаки, а закономерности их проявления хорошо изучены. Их исследование в рамках экспертизы производственно-технологических следов вполне возможно известными трасологическими методами.
Конечно, сложная информационная структура промышленной лазерной технологической установки определяет множественный характер ее свойств. Здесь одновременно присутствуют система свойств отражаемого объекта (лазерная установка), механизма отражения и отражающего объекта - промышленного изделия со следами обработки. Следует отметить, что все три группы свойств проявляются в виде признаков на отражающем объекте, который является в данном случае материальным носителем информации. Однако основным источником информации следует считать лазерную установку.
Авторам представляется, что для решения большинства идентификационных и диагностических задач достаточно выделить лишь несколько конструктивно-технологических свойств, классификация которых представлена в таблице 1.1. Рассмотрим свойства, входящие в каждую классификационную группу, и признаки их проявления.
Лазерные технологические установки могут работать в одном из трех режимов. Ручной режим обычно используется для настройки установки или для обработки единичных образцов изделий. Признаком этого режима работы является то, что период действия излучения или момент подачи импульса определяется оператором, а сканирование луча осуществляется вручную. Все это вызывает разброс параметров процесса обработки, что является характерной особенностью для данного режима.
Если параметры излучения задаются автоматически, а сканирование осуществляется вручную, то режим считается полуавтоматическим. Этот режим редко применяется при обработке изделий массового производства, а его признаки практически аналогичны признакам ручного режима, за исключением меньшего разброса глубины дискретных маркерных знаков (отверстий).
Признаком автоматического режима является то, что все параметры работы установки задаются программой блока управления. При этом разброс параметров излучения и сканирования практически отсутствует. Однако очень часто появляются признаки, связанные со спецификой конкретной управляющей компьютерной программы и особенностями работы сканирующей системы.
Как правило, на одной лазерной установке можно выполнять несколько видов обработки. Размерная обработка включает в себя сверление (прошивку), резку, фрезерование, гравирование и точечную сварку. Признаком размерной обработки является то, что зона воздействия лазерного излучения имеет резкую границу.
Сверление отверстий с помощью лазерного излучения обладает рядом особенностей по сравнению с механическим сверлением. Если при механическом сверлении возможно получение отверстий, которые всегда имеют в сечении форму круга, то с помощью лазерного сверления можно получать сквозные и несквозные отверстия самых разнообразных форм, например, квадратной или крестообразной и это является признаком данного вида обработки. Как правило, сверление единичного отверстия обычно выполняется без сканирования луча, что также является отличительным признаком.
Признаком лазерной резки является сканирование лазерного луча по линии - прямолинейная или фигурная резка. Лазерная резка может проводиться на установках как непрерывного, так и импульсного действия излучения. В отличие от сверления сканирование зоны обработки проводится так, что пятно излучения переносится на меньшую величину, чем его диаметр. При этом сам разрез может быть несквозным, а в виде углубления, которое обеспечивает последующий разлом хрупких изделий, таких как керамические и кристаллические пластины. В этом случае резка называется лазерным скрайбированием.
Признаком лазерного фрезерования является сканирование лазерного луча таким образом, что пятно излучения переносится в плоскости обработки по двум координатам, так что происходит перекрытие дискретных фокальных пятен. Обычно фрезерование применяется для удаления части материала заготовки на некоторой площади. Форма обрабатываемой площади может быть любой, но ее размеры всегда значительно превосходят размеры пятна излучения.
Гравирование применяется для нанесения на поверхность изделия устойчивого изображения цифр, букв, символов или рисунков. Они могут быть сформированы движением луча как по одной, так и по двум координатам. Отличительным признаком гравирования является то, что используется поддув инертным газом в рабочую зону в момент действия излучения. В результате этого происходит удаление части расплава из формируемого отверстия, что
приводит к повышению качества обработки.
Точечная сварка применяется для негерметичного соединения двух деталей и может выполняться на изделиях массового производства как в ручном, так и в автоматическом режимах. Для выполнения качественной сварки требуются импульсы излучения длительностью порядка миллисекунды при сравнительно низкой плотности мощности, что является признаком данного вида обработки. Разновидностью точечной сварки является шовная сварка, которая применяется для герметичного соединения деталей и выполняется только в автоматическом режиме.
Термическая обработка (пайка, очистка, отжиг, поверхностное упрочнение, легирование поверхности, закалка черных металлов) отличается от размерной обработки по целевому назначению. Общим признаком этих процессов является то, что для термической обработки требуется применение мощных лазерных установок, работающих как в непрерывном (мощностью от единиц до десятков киловатт), так и в импульсном режиме с энергией излучения в несколько десятков джоулей. Причем в случае импульсных лазерных установок используются импульсы с большой длительностью от миллисекунды и более. Это необходимо для того, чтобы тепло успевало распространиться на значительные расстояния от места воздействия лазерного излучения как вглубь материала, так и по его поверхности. Однако следует иметь в виду, что при термической обработке значение плотности мощности излучения в рабочей зоне все- таки меньше, чем при размерной обработке. Это связано с тем, что плоскостные размеры зоны термической обработки, как правило, значительно больше.
Если размерная обработка выполняется с целью нанесения на изделие маркерных знаков (изображений букв, цифр, символов или рисунка), то такой процесс называется маркировкой. Это целевое назначение отличает маркировку от иных видов лазерной размерной обработки. При маркировке основное внимание уделяется получению высококачественных маркерных знаков, что обычно достигается, в сравнении с размерной обработкой, при меньших уровнях энергии и плотности мощности излучения. Обычно для маркировки используются процессы сверления, фрезерования и гравирования. Но в последнее время появляются изделия с маркировкой в толще прозрачного материала в виде двумерного или трехмерного рисунка (соответственно 2D или 3D графика).
Лазерная обработка может выполняться различными методами. Например, наиболее распространенными методами маркировки являются маркировка через маску и построчная маркировка. Признаком первого метода является наличие пассивного или управляемого трафарета (маски), которая освещается расфокусированным лучом лазера. Его изображение проецируется в рабочую зону с необходимым масштабом при помощи объектива оптической системы за единичный импульс. Размер поля маркировки ограничен только плотностью энергии, достаточной для осуществления процесса. Маски могут меняться вручную или автоматически с помощью компьютера, что делает возможным маркировку по заданной программе. Скорость маркировки - до 50 знаков в секунду. Маркировка через маску используется в том случае, когда не требуется быстрая смена содержания, например, при нанесении клейма, логотипов фирмы-изготовителя, штрих-кода, даты изготовления и т. п.
Признаком построчной маркировки является то, что лазерный луч направляется в рабочую зону посредством какой-либо сканирующей системы. Обычно используется импульсный режим работы лазера, а оптическая схема установки позволяет получить уменьшенное изображение выходного окна лазера на поверхности маркируемого объекта. Процесс маркировки находится под полным компьютерным контролем, причём при сканировании может перемещаться как лазерный луч, так и предметный столик.
Для перемещения луча в зоне обработки используется либо его угловое отклонение (угловое сканирование), либо перемещение его по двум координатам в плоскости, так называемое планшетное сканирование. В свою очередь, планшетное сканирование может осуществляться двумя способами: перемещением фокусирующего объектива над плоскостью заготовки - «летающая оптика» или перемещением самой заготовки при неподвижном объективе. Перемещение заготовки чаще всего осуществляется с помощью координатного столика, снабженного шаговыми двигателями.
Для углового сканирования луча могут использоваться электрооптические или электромеханические отклоняющие системы (дефлекторы). Они размещаются над объективом и позволяют перемещать рабочее пятно в зоне обработки, изменяя угол падения луча на объектив.
Планшетная сканирующая система имеет большую разрешающую способность и более высокую точность позиционирования луча. Процесс формирования изображения аналогичен процессу нанесения изображения на бумагу с помощью матричного или струйного принтера. То есть, сканирующая система этого типа может содержать объектив с малой апертурой и высокой разрешающей способностью, так как излучение направлено всегда параллельно его главной оптической оси.
Следует отметить, что основным признаком, определяющим вид сканирующей системы, является наличие или отсутствие изменения угла падения луча на обрабатываемую поверхность.
Максимальные размеры поля сканирования при угловом сканировании определяются диаметром объектива, его фокусным расстоянием и апертурой. Они обычно не превышают значения 100x100 мм, так как при его увеличении начинают проявляться оптические искажения пятна излучения. При планшетном сканировании поле обработки может достигать размеров на порядок больших. Размеры поля сканирования также являются характерным признаком той или иной сканирующей системы.
Обработка изделий на лазерных установках может проводиться как в непрерывном, так и в импульсном режиме излучения. Обычно непрерывный режим используется, когда требуется подведение высокого уровня энергии к обрабатываемому изделию, например, при термической закалке поверхности металла его резке или сварке с высокими скоростями. Признаком этого режима является то, что время работы излучателя совпадает с временем полного цикла обработки заготовки. Поскольку режим непрерывного излучения требует значительных энергетических затрат, он используется относительно редко и в основном для размерной обработки толстых слоев материала или термической обработки больших площадей.
Значительно чаще в условиях массового производства применяются импульсные режимы излучения, которые подразделяются на режим свободной генерации и режим излучения с модулированной добротностью. Они сильно различаются по длительности импульса излучения, и как следствие, по плотности мощности светового потока. Признаком режима свободной генерации являются импульсы излучения длительностью 10- 10 с, которые обеспечивают либо плавление, либо плавление с частичным испарением материала. Признаком режима излучения с модулированной добротностью являются импульсы длительностью 10 -10 с. Следует отметить, что современные модуляторы излучения могут обеспечивать также значительно более короткие импульсы до 10 с. Однако такие режимы в настоящее время не используются в технологических установках, но могут применяться в лазерном оборудовании, предназначенном для научных исследований.
Возможность излучения в том или ином режиме связана с особенностями конструкции лазерной технологической установки. Поэтому режим излучения является одним из конструктивно-технологических свойств.
В классификационную группу свойств, относящихся к параметрам оптической системы, входят свойства лазерного излучателя и фокусирующей (проецирующей) оптической системы. Основой лазерного излучателя являются активный элемент с оптическим резонатором, которые представляют собой единый функциональный узел. Сюда же может входить элемент управления излучением - модулятор, предназначенный для формирования коротких импульсов излучения.
Такой же самостоятельный функциональный узел представляет собой фокусирующую оптическую систему, состоящую из телескопической системы, сканирующих зеркал или оптических дефлекторов, фокусирующего объектива.
Для этой группы конструктивно-технологических свойств характерным является то, что большая часть признаков являются их общим проявлением. То есть, исследуя признаки, практически невозможно определить, выражением какого отдельного свойства из названной группы они являются. Другими словами, оптическую систему нужно рассматривать как некий следообразующий объект, интегративные свойства которого определяются его материальной структурой, а также характером внутренних и внешних связей. Одни из этих свойств характерны для множества установок, другие - только для конкретной установки. Первые из них могут проявляться через такие групповые признаки, как длина волны излучения, мощность излучения, диаметр выходного окна излучения, диаметр сфокусированного луча, форма и длительность импульса излучения и др. Свойства, характерные только для конкретной установки, связаны с конструктивными особенностями оптических элементов и процессами юстировки оптической системы. Дефекты, отклонения конструктивных и технологических параметров элементов в пределах технологических допусков, а также многочисленные и неподдающиеся учету факторы, зависящие от юстировки, делают практически неповторимыми энергетические характеристики (свойства) конкретной лазерной установки.
Важно отметить, что конструктивно-технологические особенности изготовления, сборки и юстировки активного элемента, оптических элементов резонатора и фокусирующей системы, резко изображаемые дефекты диафрагм, зеркал, оправ определяют индивидуальность конкретной лазерной технологической установки. Причиной этого является образование разветвленной системы взаимосвязанных свойств, сохраняющихся на всем периоде работы установки в рамках определенного технологического процесса. Часть из них формируются случайным образом - распределение примеси в активном элементе, юстировка резонатора, появление дефектов на элементах оптической системы в процессе работы установки и т.п. Другая часть свойств связана с параметрами и режимами технологического процесса и задается оператором вручную согласно технологическим картам. Однако для каждой конкретной установки этот набор задаваемых свойств также случаен, так как в процессе настройки и выпуска опытной партии изделий параметры корректируются в пределах технологических допусков. То есть с криминалистической точки зрения можно считать, что каждая лазерная технологическая установка индивидуальна по внешним и внутренним морфологическим свойствам. Эти свойства проявляются в таких признаках, как характерная форма выходного окна и неповторимое распределение плотности мощности в плоскости сечения лазерного луча.
Таким образом, распределение плотности мощности, форма выходного окна лазерного излучателя в совокупности со всеми описанными конструктивно-технологическими свойствами вполне могут быть использованы для криминалистической идентификации лазерной технологической установки по следам размерной обработки и маркировки.
Автор: Кудинова Н.С.