Декорирование изделий из природного камня растровым гравированием

Вопросами дизайна изделий из камнесамоцветного сырья занимается ряд крупных вузов по всей России [50]. Научные школы, занимающиеся данным направлением находятся:

— в Иркутском государственном университете — под руководством профессор P.M. Лобацкой защищены кандидатские диссертации по дизайну изделий из долерита [39], дизайну ювелирных изделий с использованием мрамора [3];

— в Санкт-петербургском университете дизайна и технологии — под руководством профессор JI.T. Жукова ведутся работы в области исследования флорентийской мозаики [90] и геммополихромии [23]- в Российском геологоразведочном университете профессором Ю. П. Солодовой ведутся работы геммологического профиля;

— в Московском государственном горном университете работы в области использования компьютерного проектирования в дизайне изделий из камня и технологиях их изготовления ведутся проф. Ю. А. Павловым [45,79], в области дизайна изделий с природными алмазами — профессором Т. Б. Тепловой в области геммологи — профессором Е. П. Мельниковым.

Ряд исследований проводится в Магнитогорском государственном университете, в Ужно-Уральском государственном техническом университете.

Все вышеназванные школы не занимаются вопросами дизайна изделий с гравировкой и технологией ее нанесения. Художественное гравирование исследуется в Ижевском государственном техническом университете профессором М. М. Черных, но работы посвящены металлическим материалам и древесине, в то время как природный камень не рассмотрен.

Из вышесказанного следует, что представляемая работа обладает новизной.

Растровое (полутоновое) гравирование на камне широко применимо в архитектуре представительских зданий (объектов государственной, региональной и муниципальной власти), но особенно в производстве мемориальных досок и памятников. В небольшом объеме производятся изделия декоративного назначения — в основном примитивные сувениры и панно, основой которых является изображение, под размещение которого подбирается камень. В основном это однородные, мелкои среднезернистые породы, массивной текстуры: долерит, габбро, диабаз, темный однородный гранит, черные мраморы, изредка применимы шокшинский кварцит и серпентины.

С целью повышения художественного уровня изделий, их эстетической привлекательности необходимо расширить палитру применяемых материалов, предложив новые подходы к дизайну декоративных и сувенирных изделий, в частности панно.

С развитием компьютерных технологий в художественной обработке камня возросла производительность, но качество станочных работ зачастую уступает ручной гравировке, в частности из-за малой глубины наносимого изображения. Поэтому вопрос декорирования изделий машинным способом при достижении высокого качества передачи гравируемых изображений является актуальным.

На сегодняшний день существует две технологии гравирования камня: лазерная и механическая (векторная, растровая). Учитывая большой диапазон размеров гравируемых изображений, определяемый областью их применения (от 0,05 до 1 м и более), хрупкость и неоднородность природного камня по составу и строению, технология механического растрового (ударного) гравирования имеет преимущества по сравнению с лазерной, являющейся более дорогостоящей, дающей меньшую глубину и избыточное разрешение.

Обычное ударное (растровое) гравирование (УГ) не всегда дает качественное, хорошо читаемое изображение достаточной глубины для эксплуатации изделий из камня, как в интерьере, так и в экстерьере, а также последующего нанесения красителей для цветных изображений. Проблема получения качественной гравировки, связанная с особенностью физики хрупкого разрушения при ударном воздействии гравировального инструмента на поверхность каменной заготовки в процессе формирования точки (лунки) изображения, является актуальной.

Ударно-вращательное гравирование (УВГ) — нанесение ударов вращающимся инструментом, — позволяет повысить качество, расширить область применения механического гравирования. Метод изучен на пластичных материалах, работ по изучению его применения на материалах хрупких не было до сих пор. В связи с этим направленность работы, заключающаяся в применении данного метода для декорирования каменных изделий, является актуальной.

Работа предназначена для дизайнеров сувенирной продукции из естественного камня и специалистов по камнеобработке.

Объектом исследования являются изделия из природного камня, декорированные гравированными художественными изображениями.

Предметом исследования является процесс декорирования каменных панно посредством нанесения художественных изображений на поверхность природного камня механическим способом на станках с ЧПУ.

Целью работы является разработка научно обоснованных методов и приёмов дизайна и обеспечение качества декорированных гравированием изделий с учетом особенностей физического процесса нанесения изображений.

Задачи исследования.

1 Проведение анализа современных технологий гравирования на природном камне.

2 Разработка классификации изделий из природного камня с растровой гравировкой поверхности.

3 Разработка новых дизайн-решений художественных гравированных изделий, основанных на текстурных и цветовых особенностях природного камня.

4 Разработка требований к изображениям, пригодным для нанесения растровым методом и дизайн-решения гравированных изделий.

5 Разработка критериальной оценки определения пригодности материала для гравирования с учетом эстетических и технологических требований к нему, оценки качества изделий с гравировкой.

6 Исследование физико-механических процессов образования растровых элементов (лунок) на поверхности материала при ударном и ударно-вращательном методах художественного гравирования.

7 Разработка рекомендаций для дизайнеров и технологов по изготовлению гравированных изделий из природного камня.

Границы исследования: рассматриваются исключительно сувенирные изделия и пластика малых форм с габаритами от 0,1 до 1 м. В работе рассмотрены монохромные изображенияцветная гравировка выходит за пределы исследования.

Направлением исследования является системный анализ процессов растрового художественного гравирования на станках с ЧПУ и синтез нового дизайна изделий.

В работе использованы методы технической эстетики и дизайна, теории композиции, теории зрительного восприятия, теории растрирования, теории факсимильного копирования изображений, теории разрушения горных пород, методы виброакустической диагностики, квалиметрические методы. Применено математическое моделирование в среде МаШСАО.

Достоверность теоретических результатов подтверждается корректным использованием теоретических и экспериментальных методов, использованием современных средств и методик проведения исследований. Выводы работы не противоречат физическому смыслу явлений, происходящих при гравировании, подтверждены экспериментальными и статистическими данными.

Обоснованность результатов диссертационного исследования достигнута применением методов экспертных оценок и экспериментальной проверкой теоретических положений при корректном использовании метрологических средствсогласованием научных положений с базовыми теориями разрушения хрупких материалов и зрительного восприятия, с данными, полученными другими исследователями. Имеются публикации, доклады основных результатов сделаны на международных и российских конференциях.

Научная новизна диссертационной работы.

1. Разработана классификация изделий из природного камня с растровой гравировкойопределены требования к растровым изображениям (оригиналам), которые могут быть выгравированы растровым методом, и требования к дизайну таких изделий.

2. Уточнена математическая модель физического процесса формирования точки растрового изображения (лунки) на хрупких материалах, учитывающая последовательность микровнедрений гравировального инструмента при формировании лунки.

3. Впервые научно обоснован выбор материала для нанесения растрового изображения на основе разработанного критерия гравируемости, позволяющего дать количественную характеристику пригодности конкретного камня для гравирования.

4. Впервые предложен критерий качества гравирования растровых изображений на поверхности природного камня, основанный на идентичности гравировки оригиналу изображения и учитывающий четкое визуальное ее восприятие при различных условиях эксплуатации изделий. На его безе разработан критерий качества изделий с гравировкой.

5. Впервые разработана методика дизайна гравированных изделий с учетом текстурного рисунка материала, позволяющая расширить область применения данного метода для декорирования поверхности камня.

Практическое значение работы.

1. Разработаны авторские дизайн-решения гравированных изделий из природных камней, базирующиеся на их текстурном многообразии.

2. Предложены рабочие методики создания изделий из рисунчатых камней с гравировкой, а также форма технического задания на их проектирование и изготовление.

3. Впервые даны рекомендации по выбору материала заготовок для гравирования на основе разработанного критерия гравируемости, учитывающего свойства природного камня и особенности восприятия изделия.

4. Достигнуто повышение качества воспроизведения изображений посредством уточнения механизма формирования лунок.

5. Обосновано применение технологии УВГ для нанесения изображений на полированную поверхность хрупкого материала, увеличение глубины гравирования без дополнительных трудозатрат.

6. Разработаны рекомендации по выбору материала заготовок, способам повышения качества и улучшению внешнего вида гравированных изделий.

Реализация научных результатов исследований заключается в создании рекомендаций для дизайнеров-технологов по выбору материала и последовательности технологических операций при декорировании изделий из природного камня растровым гравированием, в доработке конструкции исполнительного узла для реализации УВГ к гравировально-фрезерному оборудованию с ЧПУ. Результаты исследований используются в учебном процессе при проведении практических занятий со студентами старших курсов по дисциплине «Автоматизации технологических процессов камнеобрабатывающего и ювелирного производства» и «Управление качеством процессов камнеобрабатывающего и ювелирного производства» на кафедре ТХОМ в Московском государственном горном университете. Кроме того, получены 3 акта внедрения результатов исследования в производство.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научном симпозиуме «Неделя горняка — 2004;2005 гг., 20 082 013 гг.» (Москва, МГГУ) — на XIX, XXII и XXIII Международной Интернет-конференции молодых учёных и студентов по проблемам машиноведения «МИКМУС-2007, -2010, -2011» (Москва, ИМАШ РАН) — на Международной научно-практической конференции «Инженерные системы 2009 — 2011» (Москва, РУДН) — на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2009;2011» (Москва, ВВЦ) — на XIII и XV Всероссийской научно-практическая конференция по специальности ТХОМ (Москва -2010 г., Ижевск -2012 г). Автор является победителем конкурса «У.М.Н.И.К.» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Количество и характеристика публикаций: 12 публикаций из них 2 — в сборниках трудов международных конференций, 8 — в журналах из перечня ВАК Минобрнауки Россииподана заявка на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, имеются 6 приложений. Общий объем рукописи 153 стр. В нее включены 47 рисунков и 15 таблиц.

Список используемых источников

из 97 позиций.

Основные выводы и результаты исследований, полученные лично автором:

1. обосновано применение технологии УВГ природного камня, повышающей глубину внедрения инструмента без дополнительных энергозатрат, а также позволяющей получить лунки правильной геометрической формы, что экспериментально подтверждено;

2. доказано, что декорирование гравированием поверхности камня, имеющей природный рисунок, позволяет получить оригинальные, основанные на красоте камня, художественные изделия (панно, сувениры), данная техника декорирования рисунчатого камня гравированием обладает новизной и открывает перспективное направление в дизайне каменных изделий, базирующееся на синергетическом эффекте от наложения гравировки на текстурный рисунок;

3. выделены два возможных варианта дизайн-решений гравированных изделий: подбор изображения под рисунок камня или подбор камня по конкретное изображение;

4. разработана классификация изделий из природного камня, декорированных гравированием, на основе выделения изделий по назначению и функциональному признаку, размеру, геометрии и материалу. Она позволяет упорядочить терминологию и наглядно показывает многообразие таких изделий;

5. выявлено, что оригинальные исходные растровые изображения для гравирования должны иметь разрешение не ниже 300 dpi, быть четкими, позволять без потерь графической информации переводить полихромную палитру в полутона (градации серого);

6. разработан критерий гравируемости камня Кгр (его пригодности для граверных работ) на основе анализа свойств природных камней, учитывающий особенности зрительного восприятия гравированных изображений;

7. разработан критерий оценки качества гравирования Ккг, посредством определения точности приближения интегральной оптической плотности гравированного изображения к значению плотности оригинала и дополнительного учета эстетического и эксплуатационного качества гравированного изделия;

8. разработана математическая модель процесса гравирования на основе уточненного постадийного описания физических закономерностей формообразования лунки (растрового элемента) на поверхности хрупкого материалапоказано, что формирование лунки при гравировании происходит за счет серии микровнедрений инструмента в заготовку;

9. созданы рабочие методики осуществления художественного гравирования рисунчатых природных камней.

Заключение

.

Диссертация является научно-квалификационной работой в области технологии художественной обработки материалов и вносит вклад в теорию и практику проектирования художественных изделий с учетом технологических и материаловедческих факторов посредством: разработки методов и средств теоретических и экспериментальных исследований процессов растрового гравирования поверхностей изделий из природного камня разными способамиразработки методики дизайна гравированных изделий, изготовленных из рисунчатого камня, в которых гравирование является дополнительным средством создания целостного художест-венного образа.