BRPI0619916A2 - controle automatizado de colorização de láminas de barbear ou depilar - Google Patents

Abstract

<UM>CONTROLE AUTOMATIZADO DE COLORIZAçãO DE LáMINAS DE BARBEAR OU DEPILAR<MV>. Trata-se de métodos e sistemas para controle automatizado de cor. Estes métodos e sistemas são adequadas ao uso em vários processos de oxidação para a coloração de aço tratado por calor, por exemplo lâmina de aço de barbear ou depilar. Um circuito de realimentação (com controle de circuito fechado> é estabelecido, incluindo as etapas de medição da cor, comparação da cor medida com uma cor final e quantificação da diferença entre as mesmas e, se a diferença exceder um limite predeterminado, regulação dos parâmetros de ajuste de cor, por exemplo, o fluxo de ar na zona de oxidação, de modo que a cor medida e a final sejam equivalentes ou estejam dentro de uma variância predeterminada.

Description

CONTROLE AUTOMATIZADO DE COLORIZAÇÃO DE LÂMINAS DE BARBEAR OU DEPILAR

CAMPO DA INVENÇÃO

Esta invenção refere-se ao campo das lâminas de barbear ou depilar e a processos para fabricação de lâminas de barbear ou depilar e mais especificamente ao controle automatizado de colorização de lâminas de barbear ou depilar em tal processo.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

As lâminas de depilação são, tipicamente, formadas por um material laminar metálico adéquado, como aço inoxidável, o qual é fendido na largura desejada e tratado por calor para dar têmpera ao metal. A operação de endurecimento usa uma fornalha de alta temperatura, na qual o metal pode ser exposto a temperaturas superiores a 1.100°C durante até 10 segundos, sendo em seguida submetido a arrefecimento brusco. Após o processo de endurecimento, um gume cortante é formado na lâmina. 0 gume cortante tem, tipicamente, uma configuração em formato de cunha com uma extremidade que tem um raio menor que cerca de 1000 ângstrons, por exemplo, cerca de 200 a 300 ângstrons. Vários revestimentos podem ser aplicados ao gume cortante. Por exemplo, revestimentos rígidos como diamante, diamante amorfo, material de carbono tipo diamante (Diamond Like Carbon, ou DLC) , nitretos, carbonetos, óxidos ou cerâmicas são freqüentemente aplicados ao gume cortante ou à extremidade do mesmo, para melhorar a rigidez, a resistência à corrosão e a capacidade de barbeamento ou depilação. Camadas intermediárias de materiais contendo nióbio ou cromo podem ajudar a melhorar a ligação entre o substrato, tipicamente aço inoxidável, e os revestimentos rígidos. Uma camada externa de politetrafluoroetileno (PTFE) pode ser usada para proporcionar redução de atrito.

É importante que estes revestimentos sejam aplicados, e quaisquer outras etapas de processamento pós- endurecimento sejam executadas, sob condições de temperatura suficientemente baixas para que o aço endurecido e afiado não fique significativamente temperado. Se o aço ficar temperado demais, ele irá perder a rigidez e pode não ter um desempenho adequado durante o uso.

Exemplos de estruturas de gume cortante de lâminas de depilar ou barbear e processos para a fabricação das mesmas são descritos nas patentes U.S. n° 5.295.305, 5.232.568, 4.933.058, 5.032.243, 5.497.550, 5.940.975, 5.669.144, EP 0591334 e PCT 92/03330, as quais estão aqui incorporadas a título de referência.

As lâminas de barbear ou depilar podem incluir um revestimento colorido, isto é, um revestimento contendo uma cor diferente da cor do material da lâmina subjacente. 0 termo "colorido", para uso na presente invenção, inclui todas as cores, inclusive preto e branco. 0 revestimento colorido proporciona um efeito estético desejável, sem afetar de modo adverso o desempenho ou as propriedades físicas da lâmina. A cor das lâminas de barbear ou depilar pode ser coordenada com a cor da carcaça de um cartucho de depilação, do cabo ou de outros componentes de um sistema para barbeamento ou depilação. Em algumas implementações preferenciais, o revestimento cobre substancialmente toda a superfície da lâmina, acentuando o efeito estético e simplificando a produção. Os revestimentos são duráveis, exibem excelente adesão ao material da lâmina e podem ser produzidos consistentemente e de modo relativamente barato.

As lâminas de barbear ou depilar podem ser coloridas durante o processo de endurecimento do aço através do uso de técnicas como oxidação térmica da lâmina de aço ou redução e re-oxidação controlada de um revestimento superficial de óxido metálico rígido, por exemplo, dióxido de titânio, aplicado à lâmina de aço. Para reduzir custos, diminuir a quantidade de sucata e obter qualidade e controle de cor, estas duas técnicas exigem usinagem e um processo automatizado de controle de cor.

A técnica de oxidação térmica inclui submeter o material da lâmina a um processo de endurecimento e, durante o processo de endurecimento, expor o material da lâmina a ar seco puro para formar uma camada de óxido em sua superfície. 0 método inclui também o arrefecimento brusco (têmpera) do material da lâmina após a etapa de oxidação, para iniciar a transformação martensítica do material da lâmina e dar ao material endurecido o formato de lâmina de depilação, no qual a camada de óxido fornece uma superfície colorida à lâmina de depilação. Os métodos preferenciais não afetam de modo adverso as propriedades finais da lâmina. O processo de coloração da lâmina por redução e re- oxidação controlada de um revestimento de superfície de óxido metálico rígido envolve a aplicação de uma camada de um óxido metálico rígido e/ou oxinitreto metálico, por exemplo, óxido de titânio e/ou óxidos de outros metais de transição incluindo zircônio, alumínio, silício, tungstênio, tântalo, nióbio, ferro, e misturas dos mesmos, a uma folha de aço mole para lâminas, por exemplo, através de deposição física de vapor (PVD), deposição de vapores químicos intensificada por plasma (PECVD), ou outra técnica de deposição, em uma camada de espessura uniforme. Para este processo de coloração, a operação de endurecimento inclui submeter o material de lâmina revestido por óxido metálico a um processo de endurecimento e, durante o processo de endurecimento, reduzir o teor de oxigênio do revestimento de óxido metálico ou oxinitreto presente e, então, re-oxidar o óxido através da exposição do revestimento a uma quantidade controlada de ar seco puro em proporção à cor de revestimento final desejada. Este método inclui, também, o arrefecimento brusco do material da lâmina, após a etapa de re-oxidação, para iniciar a transformação martensítica do material da lâmina, e a transformação do material da lâmina endurecido em uma lâmina de barbear ou depilar. Os métodos preferenciais não afetam de modo adverso as propriedades finais da lâmina.

A técnica de oxidação térmica inclui passar o material da lâmina através de um forno em forma de túnel com duas zonas. A primeira zona é usada para austenizar a lâmina de aço e para remover qualquer revestimento de óxido nativo. Esta primeira zona contém principalmente hidrogênio e nitrogênio. Uma segunda zona do forno em forma de túnel, chamada de zona de oxidação, que se segue diretamente à primeira zona, é usada para oxidar a superfície da tira de aço inoxidável. A primeira zona tem temperaturas próximas a 1.100°C por quase toda a sua extensão. As temperaturas próximas à saída da primeira zona, imediatamente antes da zona de oxidação, reduzem a temperatura do material da lâmina de quase 1.100°C durante a austenização para menos de cerca de 800°C conforme ela entra na segunda zona. O oxigênio disponível na zona de oxidação do forno em forma de túnel pode ser controlado, controlando-se a quantidade de ar seco e de nitrogênio injetada nesta zona. Controlando-se o oxigênio disponível da zona de oxidação, a cor da película de óxido formada pode ser definida e controlada. Depois que o aço oxidado passa através da zona de oxidação do forno em forma de túnel, por meio de blocos de arrefecimento brusco resfriados a água, a têmpera martensítica é iniciada. O processo de endurecimento resulta na martensitização do material de lâmina.

Os processos de coloração de lâminas óxido- térmicos acima descritos permitem que uma película de óxido decorativa seja produzida em uma lâmina de aço durante o processo de endurecimento, após a austenização e antes da transformação martensítica. Se, ao invés disso, a lâmina de aço fosse colorida usando-se um processo de coloração óxido- térmico antes do processo de endurecimento, a cor geralmente iria ser degradada durante o processo de endurecimento convencional. Se for empregado um processo térmico de colorização de oxido após a transformação martensítica, isso geralmente destruirá as propriedades martensíticas da tira de aço inoxidável. Os processos acima descritos geralmente produzem óxidos protetores altamente adesivos, permitindo, ao mesmo tempo, um excelente controle de cor, sem causar qualquer impacto negativo às propriedades metalúrgicas das tiras endurecidas de lâmina de aço inoxidável.

A técnica de endurecimento e de coloração da lâmina por redução e re-oxidação controlada de um revestimento de superfície de óxido metálico rígido inclui a passagem do material da lâmina através de um forno em forma de túnel que tem duas zonas. A primeira zona é usada para austenizar a lâmina de aço e para reduzir o revestimento de óxido. Esta primeira zona contém principalmente hidrogênio e nitrogênio. Uma segunda zona do forno em forma de túnel, localizada imediatamente após a primeira zona, é usada para re-oxidar o revestimento. A pressão parcial de oxigênio na segunda zona do forno túnel pode ser controlada independentemente das condições ambientes na primeira zona do forno túnel. Mediante o controle da pressão parcial dé oxigênio na segunda zona do forno túnel, a cor desejada da película de óxido pode ser definida e controlada. Depois que o aço revestido passa através da segunda zona do forno em forma de túnel, por meio de blocos de arrefecimento brusco resfriados a água, o arrefecimento martensítico é iniciado. O processo de endurecimento resulta na martensitização do material de lâmina. Os processos de coloração da lâmina por redução e re-oxidação acima descritos permitem que uma película decorativa de oxido de metal de transição seja especialmente modificada (colorida) durante o processo de endurecimento de um aço inoxidável martensítico. Se uma película decorativa de óxido de metal de transição for colorida antes do processo de endurecimento, ela geralmente irá ser degradada durante o processo de endurecimento convencional. Se um processo de coloração fosse empregado depois da transformação martensítica, ele iria ou destruir as propriedades martensíticas da tira de aço inoxidável, ou iria exigir um controle de temperatura intenso e o manuseio especial do material. Os processos acima descritos geralmente produzem óxidos protetores altamente adesivos, permitindo, ao mesmo tempo, um excelente controle de cor, sem causar qualquer impacto negativo às propriedades metalúrgicas das tiras endurecidas de lâmina de aço inoxidável.

Em ambos os métodos de produção de lâminas coloridas acima descritos, tanto na oxidação térmica da lâmina de aço, quanto na redução e re-oxidação controlada de um revestimento de superfície de óxido metálico rígido, a cor surge da interferência de película delgada entre a reflectância parcial da luz na interface ar/óxido e a reflectância de luz na interface óxido/aço. Uma interferência construtiva ocorre quando a luz refletida de uma interface tem a mesma fase da luz refletida de outra interface, produzindo brilho. Uma interferência destrutiva ocorre quando as luzes refletidas das interfaces estão fora de fase, produzindo escuridão. A diferença de fase óptica entre a luz refletida de cada interface depende do comprimento da trajetória óptica, (OPL - "optical path length") , através da película ,delgada de óxido. A OPL é dada por:

<formula>formula see original document page 9</formula>

em que:

nf = índice de refração da película delgada d = espessura da película delgada

θ = ângulo entre a luz incidente e a normal da superfície da película delgada.

O fator 2 considera a passagem dupla através da película devido a reflexão.

No caso de oxidação térmica de uma lâmina de aço não coberta, o índice de refração do óxido é considerado como sendo quase constante e a cor é primariamente devida à espessura final do óxido, d. Quando há re-oxidação de uma película de óxido metálico rígido em uma lâmina de aço, a espessura do óxido metálico rígido é considerada como sendo quase constante e a cor é primariamente uma função do grau de re-oxidação, que se correlaciona com um aumento associado ao índice de refração.

Variações nos parâmetros associados ao processo de endurecimento, incluindo temperatura, taxas de fluxo de gás e vazamentos de gás, resultam na mudança de cor para o processo de coloração por oxidação térmica. Variações nos parâmetros do processo de endurecimento, bem como na espessura ou índice de refração do oxido metálico/película de oxinitreto pré- endurecido, se deixados desbalanceados, também irão levar a mudança de cor na lâmina de aço endurecida associada ao processo de redução/re-oxidação. Além do mais, alterações abruptas na espessura da película de óxido metálico pré- depositado podem ocorrer quando tiras fendidas são soldadas juntas para processo contínuo, causando deste modo alterações de cor abruptas no produto final.

Para os processos de coloração de lâmina discutidos, variações podem ser compensadas, e deste modo uma cor final pode ser alcançada, através da observação da cor da lâmina de aço endurecida seguida de um ajuste do fluxo de ar seco puro durante os processos de oxidação ou re-oxidação. No entanto, ajustes manuais aumentam custos de produção e não permitem compensações suficientemente rápidas para mudança de cor, aumentando a quantidade de material de lâmina inaceitável que é produzido.

A presente invenção intervém para fornecer uma melhora no controle de cor automatizado. Tais métodos e sistemas são descritos a seguir. Estes métodos e sistemas são adequados para uso em vários processos de oxidação para a coloração de lâminas de barbear ou depilar de aço. Um circuito de realimentação (com controle de circuito fechado) é estabelecido, incluindo as etapas de medição de cor, comparação da cor medida com um valor de cor final, e quantificação da diferença entre as mesmas e, se a diferença exceder um limite predeterminado, regulação de um parâmetro de ajuste de cor, por exemplo, o fluxo de ar da zona de oxidação, de modo que a cor medida e a final sejam equivalentes ou estejam dentro de uma variância predeterminada.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se a um processo para fabricação de lâminas de barbear ou depilar compreendendo: um circuito de realimentação automatizado, medindo um parâmetro de cor de uma tira de aço da lâmina saindo de um processo de coloração, comparando a cor medida a uma cor final e quantificando a diferença entre as mesmas e, se a diferença exceder um limite predeterminado, regulando um parâmetro de ajuste de cor de modo que a cor medida e a final sejam equivalentes ou estejam dentro de uma variância predeterminada.

Em outra modalidade, a invenção refere-se a um sistema para controle automatizado de cor de lâmina de barbear ou depilar compreendendo:

um espectrômetro configurado de modo a medir um espectro de reflexão da lâmina de aço conforme ela sai do processo de colorização,

um controlador configurado de modo a ajustar um parâmetro do processo de colorização, um processador configurado de modo a determinar um parâmetro associado ao espectro de reflexão medido, calcular a diferença entre o parâmetro medido e um valor final predeterminado e, se a diferença está acima de um limite predeterminado, enviar uma tensão ao controlador de fluxo de massa, e uma fornalha de endurecimento equipada com uma zona de oxidação.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A Figura 1 é um fluxograma mostrando as etapas em um processo para manufatura de lâmina de barbear ou depilar, incluindo coloração da lâmina através de oxidação térmica, de acordo com uma modalidade da invenção.

A Figura 2 é um perfil de temperatura para uma fornalha de endurecimento.

A Figura 3A é uma vista lateral diagramática de uma zona de oxidação.

A Figura 3B é uma vista diagramática em seção transversal de um aspersor, tomada ao longo da linha A-A na Figura 3A.

A Figura 3C é uma vista frontal de uma abertura de saída uscida pela zona de oxidação mostrada na Figura 3A.

A Figura 4 é um fluxograma mostrando as etapas em um processo para manufatura de lâmina de barbear ou depilar, incluindo coloração da lâmina através de redução e re-oxidação controlada, de acordo com uma modalidade da invenção.

A Figura 5 é um gráfico dos espectros de reflexão para lâminas de aço de oxido metálico rígido em sua condição pré-endurecimento e em várias condições pós-endurecimento (com o endurecimento tendo sido conduzido através de diferentes taxas de fluxo de ar na zona de oxidação) . 0 gráfico também mostra a correlação entre o valor mínimo de espectro, Xmin, e a cor de lâmina aproximada. A Figura 6 é um diagrama mostrando um circuito de alimentação de um controle de cor automatizado, consistindo em um espectrômetro, um processador, um controlador de fluxo de massa e uma fornalha de endurecimento equipada com uma zona de oxidação.

A Figura 7 é um fluxograma descrevendo o processo de retroalimentação do controle de cor.

A Figura 8 é um gráfico mostrando a Xmj.n de uma película de oxido metálico rígido em uma lâmina de aço pré- endurecida, o Xmin de uma película de óxido metálico rígido em uma l;âmina de aço pós-endu'recida dentro de um controle de retròinformação, bem como o comprimento de onda mínimo alvo λT.

Símbolos de referência similares nos vários desenhos indicam elementos similares.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Um processo óxido-térmico adequado para formação de camada colorida de óxido e fabricação de lâminas de barbear ou depilar é mostrado diagramaticamente na Figura 1. Primeiro, uma chapa de lâmina de aço é fendida em tiras. As tiras são, então, soldadas juntas e, então, perfuradas para facilitar o manuseio durante o processamento subsequente.

Quando a seqüência desejada de etapas de pré- endurecimento é completada, o material da lâmina é submetido a um processo de endurecimento, que inclui austenização do aço inoxidável. Um perfil de temperatura típico para o processo· de têmpera, que é conduzido em um forno túnel, é mostrado na Figura 2. 0 material é rapidamente elevado a uma temperatura alta, por exemplo, aproximadamente 1160°C e mantido nessa temperatura durante um tempo, no qual a austenização do aço inoxidável ocorre, e, então, é permitido esfriar. Um gás de formação (por exemplo, incluindo hidrogênio e nitrogênio) flui através de uma zona de alta temperatura do forno durante a austenização. A composição e taxa de fluxo do gás de formação são controladas de modo que nenhuma oxidação ocorra, e qualquer oxido nativo seja reduzido. Em uma modalidade, o gás de formação inclui hidrogênio, para impedir a oxidação e reduzir qualquer óxido nativo, e nitrogênio, como um gás inerte usado para diluir a concentração de hidrogênio geral. Por exemplo, em algumas implementações o gás de formação pode incluir cerca de 75 % de hidrogênio e cerca de 25 % de nitrogênio, e pode ser liberado em uma taxa de fluxo de cerca de 7 a 38 L/min.

Após a austenização, as tiras passam através de uma zona de oxidação, na qual a camada de óxido colorida é acumulada sobre a superfície da lâmina de aço. O gás de formação flui a partir da fornalha de endurecimento para dentro da zona de oxidação. Um gás de oxidação (por exemplo, incluindo oxigênio) é introduzido ao gás de formação até um ponto desejado na zona de oxidação (até o ponto em que as tiras tenham chegado a uma temperatura adequada para oxidação) e guia o processo de oxidação. O oxigênio pode ser fornecido sob a forma de ar seco puro. A zona de oxidação e as condições de oxidação (por exemplo, razão de hidrogênio para oxigênio) serão discutidas em detalhe abaixo. Depois que o material sai da zona de oxidação, ele é rapidamente arrefecido, resultando em uma transformação martensítica do aço inoxidável. O arrefecimento brusco (têmpera) não afeta adversamente a cor da camada de óxido.

Os processos aqui descritos podem ser adicionados a processos existentes de endurecimento do aço da lâmina, freqüentemente com alterações mínimas ao processo existente. Por exemplo, um processo existente de endurecimento do aço da lâmina utiliza uma fornalha de alta temperatura (maior que cerca de 1.100°C) contendo uma saída de gás de formação. Duas tiras paralelas e contínuas de lâmina de aço inoxidável são puxadas através dessa fornalha de alta temperatura a 36,6 m/min (120 pés/min) cada uma. Este tratamento por alta temperatura é usado para austenitizar as tiras de aço inoxidável. Próximo à saída da fornalha de alta temperatura está um tubo encamisado resfriado a água (também mencionado como mufla tubular resfriada a água). Essa seção é usada para iniciar o processo de resfriamento das tiras de lâmina de aço inoxidável. Imediatamente após a zona resfriada a água, as tiras de lâmina de aço inoxidável são puxadas através de um conjunto de blocos de arrefecimento brusco resfriados a água. Os blocos de arrefecimento brusco iniciam a transformação martensítica do aço. Este processo existente pode ser modificado para formar uma camada de óxido colorida através da substituição da mufla tubular resfriada a água, entre a fornalha de alta temperatura e os blocos de arrefecimento brusco, com a zona de oxidação acima referida. Em determinadas instâncias, o perfil de temperatura da fornalha pode ser modificado de modo que a tiras saiam da fornalha a uma temperatura menor que cerca de 800°C, ou de cerca de 400 a 750°C, ou mesmo de cerca de 600-700°C.

Uma zona de oxidação adequada é mostrada diagramaticamente na Figura 3A. A zona de oxidação pode ser, por exemplo, um tubo Inconel fixado à tubulação usada na fornalha de alta temperatura da linha de tempera. Em uma modalidade, um sistema aspersor de gás 200 é instalado a cerca de 2, 9 cm a partir da entrada do tubo 202 e dimensionado para se estender até cerca de 5,1 cm ao longo do tubo. Nesse caso, o aspersor tem um total de 16 porta de entrada para gás (não mostrada), e é projetado de modo que o gás injetado através do aspersor (setas na Figura 3A) atue uniformemente sobre as tiras de aço inoxidável. O gás é introduzido no aspersor através de um par de tubos de entrada 201 e 203. Um deflector de gás 204 podem estar incluído de modo que duas tiras de aço inoxidável de material da lâmina sejam separadas umas das outras para que a composição de gás em cada lado do deflector possa ser controlada parcialmente independente do outro lado. O deflector 204 pode definir duas câmaras 210, 212, conforme mostrado:na Figura 3B. Nesse caso, o deflector de gás pode, por exemplo, começar a cerca de 0,3 cm a partir da entrada da zona de oxidação e se estender ao longo do tubo até cerca de 10,2 cm. Se for desejado, o defletor de gás 204 pode estender-se ao longo do comprimento inteiro da zona de oxidação de modo que não ocorra a mistura de fluxos de gás dos tubos de entrada 201 e 203, permitindo um controle independente dos dois lados do defletor dentro do tubo (210 e 212). O aspersor de gás é projetado de modo a possibilitar um controle duplo do fluxo de gás, permitindo que duas tiras sejam processadas ao mesmo tempo, usando a mesma fornalha. As taxas de fluxo de gás podem ser controladas mediante medidores de fluxo de gás. A saída de cada câmara da zona de oxidação pode estar equipada com um flange e duas peças de aço 218, os quais definem uma fenda 219 e, portanto, agem como uma porta de saída 22 0 (Figura 3C). A fenda pode ser, por exemplo, de cerca de 0,1 até cerca de 0,2 cm de largura, Essa porta de saída impede qualquer refluxo do ar ambiente para dentro da zona de oxidação, além de encorajar uma melhor mistura dos gases no interior da dita zona. Conforme discutido acima, imediatamente após a zona de oxidação, as tiras de: lâmina de aço inoxidável são puxadas através de um conjunto de blocos de arrefecimento brusco resfriados a água 206. Os blocos de arrefecimento brusco iniciam a transformação martensítica do aço.

A cor desejada é, geralmente, obtida pelo controle da espessura e da composição da camada de óxido. A espessura e a composição da camada de óxido colorida dependerá de várias variáveis. Por exemplo, a espessura da camada de óxido dependerá da temperatura da tira de aço inoxidável quando o gás de oxidação é introduzido, e pela razão entre o hidrogênio e o oxigênio da mistura do gás de formação e do gás de oxidação ;na zona de oxidação. A composição ou a estequiometria da camada de óxido dependerá destes mesmos fatores e também da composição da superfície e morfologia das tiras. Geralmente, temperaturas e taxas de fluxo mais baixas produzem cores douradas e temperaturas e taxas de fluxo mais altas produzem a cores do espectro da violeta ao azul. Em algumas implementações a razão entre o hidrogênio e o oxigênio é de cerca de 100:1 a 500:1. Para um determinado tipo de material da lâmina, com a razão entre hidrogênio e o oxigênio em torno do ponto médio desta faixa, é obtido um oxido de cor azul escuro estético. 0 aumento da quantidade relativa de oxigênio tenderá a produzir cores azul claro e azul claro-esverdeado, enquanto que a redução da quantidade relativa de oxigênio tenderá a produzir cores violeta e, então, cores douradas.

A velocidade na qual o material viaja através da zona de oxidação e o comprimento da zona de oxidação também afetará a colorização. Velocidades adequadas podem ser, por exemplo, na faixa de cerca de 15 a cerca de 4 0 m/min.

Em alguns casos, pode ser necessário ajustar os parâmetros do processo de têmpera e/ou do processo de oxidação : a fim de obter-se um produto final consistente. A temperatura da tira ao entrar na zona de oxidação pode ser controlada através do ajuste da temperatura das últimas zonas na fornalha de têmpera e/ou pelo uso de elementos aquecedores na zona de oxidação. 0 aumento da temperatura da tira ao entrar na zona de oxidação aumentará a espessura do oxido produzido na zona de oxidação. Quando o processo é executado com o uso das fornalhas mais convencionais, a temperatura da tira ao entrar na zona de oxidação só pode ser ajustada na configuração inicial do processo. Uma vez que a composição do gás oxidante da zona de oxidação pode ser rapidamente ajustada; é este o parâmetro que é geralmente usado para compensar as variações na tira de material e para ajustar precisamente a cor oxida. 0 ajuste de temperatura exato das últimas zonas da fornalha de endurecimento e a composição exata do gás oxidante são selecionadas com base na cor desejada, no tamanho, no formato, na composição e na velocidade da tira de aço, entre outros fatores.

Um processo adequado para aplicação de revestimento colorido através de um processo de redução/re- oxidação e fabricação de lâminas de barbear ou depilar é mostrado diagramaticamente na Figura 4. Conforme mostrado na Figura 4, a camada de oxido ou oxinitreto é, de preferência, aplicada; ao material laminar de onde a lâmina é formada, antes do corte de fendas do material laminar para uma largura desejada, que é tipicamente significativamente mais larga que a largura da lâmina final. A realização da etapa de revestimento nesse estágio simplifica a produção, pois uma grande área superficial pode ser revestida de uma vez. 0 revestimento de óxido é aplicado a uma folha de aço mole para lâminas, por exemplo mediante deposição física de vapor (PVD), deposição de vapores químicos intensificada por plasma (PECVD), ou outra técnica de deposição, em uma camada de espessura uniforme. A camada é tipicamente de cerca de 400 a cerca de 10.000 angstrons, por exemplo de cerca de 500 a cerca de 800 angstrons.

Quando a seqüência desejada de etapas pré- endurecimento tiver sido completada, o material da lâmina é submetido a um processo de endurecimento, o qual resulta na transformação martensítica do aço inoxidável. Um perfil de temperatura típico para o processo de têmpera, que é conduzido em um forno túnel, é mostrado na Figura 2. Esse perfil de temperatura no interior do forno envolve a rápida elevação. da temperatura do material até uma alta temperatura, por exemplo aproximadamente 1.160°C, mantendo- se o material nessa temperatura por um período de tempo, durante o qual ocorre a austenização do aço inoxidável. Depois de o material sair do forno, é rapidamente arrefecido, o que causa a martensitização do aço inoxidável,

Durante o processo de endurecimento, o revestimento de oxido é "colorizado", isto é, a coloração do revestimento de oxido é intensificada e/ou alterada. A colori zação pode resultar em uma acentuação da cor, por exemplo para uma tonalidade ou aparência mais brilhantes, e/ou pode resultar em uma alteração da cor do revestimento para uma cor diferente como, por exemplo, de cinza azulado para violeta, dourado ou azul, ou de verde opaco para amarelo esverdeado, verde escuro, ou verde azulado. Essa colorização resulta de uma alteração no índice de refração do revestimento que, por sua vez, resulta de uma alteração na composição, na composição estequiométrica e/ou na estrutura cristalina do revestimento de óxido. O grau de alteração no índice de refração evidente da película controlará a cor da película colorizada.

A composição e a estrutura cristalina do revestimento após a colorização e, portanto, a cor final do dito revestimento, dependerão de diversas variáveis. Por exemplo, a composição, ou estequiometria, do revestimento dependerá dos gases presentes na fornalha durante o processo de endurecimento. A introdução de apenas nitrogênio na fornalha geralmente altera um revestimento de óxido de titânio, cuja cor é inicialmente azul acinzentada, para azul brilhante ou violeta azulado. Essa alteração de cor se deve a uma redução no teor de oxigênio do revestimento de óxido de titânio. Se ar e/ou umidade forem introduzidos na fornalha, a redução do teor de oxigênio no revestimento de óxido de titânio é muito menor, e o índice de refração resultante é mais alto.

Outras variáveis que afetam a colorização são a espessura inicial e a composição do revestimento de óxido, o perfil de temperatura da fornalha de endurecimento, e a velocidade à qual o material passa pela fornalha. Caso a espessura e/ou a composição do revestimento variem ao longo do comprimento do material, pode ser necessário ajustar os parâmetrôs do processo de endurecimento, de modo a obter um produto ifinal consistente. Por ser difícil se ajustar rapidameiite a temperatura e condições ambientes em fornos em forma de túnel grandes que são tipicamente usados para endurecimento, pode ser desejável providenciar um forno separado mais curto que é mais rapidamente ajustável (mencionado abaixo como "a zona de oxidação"). Deste modo, o forno em forma de túnel convencional e maior pode ser usado para a etapa de alta temperatura da operação de endurecimento e para ligeiramente reduzir o revestimento de óxido (cjue pode, também, aumentar a uniformidade de sua composição), e o forno adicional e mais curto pode ser usado para oxidação/colorização, fornecendo uma zona de oxidação em que a composição do gás pode ser ajustada de modo relativamente rápido para compensar as variações no material. A temperatura da tira nesta zona de oxidação, e conseqüentemente a capacidade de resposta de coloração ambiente, pode ser ajustada para mais ou para menos, ao se regular o ponto de ajuste das últimas zonas da fornalha de alta temperatura. A composição e/ou taxa de fluxo do(s) gás (es) introduzido(s) na zona de oxidação podem, então, ser alteradas com base na aparência do material conforme ele sai da zona de oxidação e área de arrefecimento.

A zona de oxidação pode ser similar àquela descrita para coloração de lâmina óxido-térmica acima, e conforme anteriormente mostrado na Figura 3A. A zona de oxidação, quando utilizada, está situada entre a fornalha de alta temperatura e o primeiro conjunto de blocos de arrefecimento brusco resfriados a água, e substitui a mufla tubular resfriada a água usada em uma linha de endurecimento padrão. O perfil de temperatura da fornalha pode ser modificado de modo que as tiras de lâmina de aço inoxidável revestidas surjam da fornalha de endurecimento e entrem na zona de oxidação a uma temperatura próxima ou mais baixa que cerca de 1.160°C. A adição de elementos aquecedores à zona de oxidação pode, também, ser empregada para otimizar a estabilidade do processo, por exemplo, durante o início do mesmo. O gás de oxidação, por exemplo uma mistura de oxigênio e nitrogênio introduzida como ar seco e nitrogênio, pode ser usado para controlar o processo de coloração, caso em que é adicionado diretamente ao fluxo de gases a partir da fornalha de alta temperatura.

Os inventores desenvolveram métodos de, e sistemas para, controle de cor automatizado que são adequados, mas não são limitados ao uso em nenhum dos processos de coloração acima descritos. Um circuito de realimentação (com controle de circuito fechado) é estabelecido, incluindo as etapas de medição da cor, comparação da cor medida com uma cor final e quantificação da diferença entre as mesmas e, se a diferença exceder um limite predeterminado, o ajuste dos parâmetros de ajuste de cor, por exemplo, do fluxo de ar na zona de oxidação, fará com que a cor medida e a cor final sejam equivalentes ou estejam dentro de uma variância predeterminada. Os sistemas e método;= preferenciais reduzem substancialmente a variação ou mudança de cor detectável a longo prazo.

Em um aspecto, a invenção apresenta sistemas para controle automatizado de coloração de lâminas de barbear ou depilar que incluem um espectrômetro, um processador, um controlador de fluxo de massa (MFC) , e uma fornalha de endurecimento equipada com uma zona de oxidação. 0 espectrômetro mede o espectro de reflexão da lâmina de aço conforme'ela sai do processo de colorização (por exemplo, a lâmina de aço endurecida e re-oxidada revestida de óxido metálico iou a lâmina de aço termicamente oxidada) . 0 espectro de reflexão é a porcentagem de luz refletida que retorna ao espectrômetro em contraste com o comprimento de onda da luz refletida. 0 processador determina um parâmetro associado ao espectro de reflexão medido, por exemplo, o comprimento de onda mínimo da luz refletida (λmin), e calcula a diferença entre o parâmetro medido e um valor alvo predeterminado. Se a diferença estiver acima de um limite predeterminado, o 5 processador então envia uma tensão ao controlador de fluxo de massa para ou aumentar ou diminuir o fluxo de ar seco puro na zona de oxidação, de modo que o valor alvo seja aproximado. Em algumas implementações, o parâmetro é o comprimento de onda máximo da luz refletida, λmax.

A medição de cor pode ser muito subjetiva e complicada, devido a variedade de configurações, padrões, e métodos de medição e os graus de liberdade que compreendem o "espaço de cor". O Comitê Internacional de Iluminação (CIE) desenvolveu padrões onde números definidos são usados para representar uma cor. De acordo com os padrões da CIE, a cor é tipicamente definida por 3 parâmetros. Vantajosamente, ao se usar um único parâmetro, por exemplo, λmin ou λmax, como uma designação para cor, o espaço de cor tridimensional é representada por um único número. Este único numero pode, então, ser facilmente usado como o parâmetro de controle de cor para ajustar um único parâmetro de ajuste de cor (por exemplo, fluxo de ar) em um circuito de realimentação em tempo real.

Com respeito à presente invenção, a primeira etapa para se obter controle de cor automatizado é medir e definir a cor. Os espectros de reflexão de um oxido metálico ou película de oxido rígido numa lâmina de aço seguem a relação para interferência de filme fino dada pela seguinte equação que pode ser derivada da equação (1) acima.

2nfd = (m-1/2) ʎmin (2)

onde nf = o índice de refração de uma película de óxido metálico

d = a espessura da película de óxido metálico

m = um número inteiro, representando a ordem da interferência

ʎmin = o comprimento de onda mínimo da reflectância, e

θ = 0 para incidência normal de luz na película de óxido.

Na equação (2), nf > nS, onde ns é o índice de refração do substrato (lâmina de aço). Quando nf < ns, a relação para interferência de película delgada é modificada conforme mostrado abaixo:

2nfd =m ʎmin (3).

Cada um dos espectros tem um valor mínimo, ʎmin, que é proporcional â espessura da película, d, e índice de refração, nf.

A Figura 5 é um gráfico do espectro de refração (luz refletida em contraste com o comprimento de onda) de uma lâmina de aço revestida de dióxido de titânio pré e pós- endurecida, medido com um espectrômetro de fibra óptica. Cada curva corresponde a mesma espessura da película, mas a diferentes índices de refração. A película pré-endurecida é representada por uma curva espectral 1 com um λmin 2 de cerca de 720 nm. Sendo submetido ao processo de endurecimento, o óxido na película é reduzido, o que também diminui o nf e muda o espectro do Xmin associado a comprimentos de onda mais curtos. As curvas espectrais restantes representam películas de dióxido de titânio pós-endurecidas que passaram por diferentes quantidades de fluxo de ar na zona de oxidação. Por exemplo, a curva de reflectância do pós-endurecimento 3 exibe um λ min 4 de cerca de 480 nm. Este material foi produzido sem fluxo de ar na zona de oxidação. As curvas adjacentes, com Xmin crescente, representam películas de dióxido de titânio pós-endurecidas com fluxo de ar crescente na zona de oxidação. Uma vez que a quantidade de re-oxidação aumenta bom o fluxo de ar, o índice de refração aumenta também. -Isto muda os espectros e o λ min associados a comprimentos de onda mais longos. As taxas de fluxo de ar usadas para películas de dióxido de titânio pós-endurecidas na Figura 5 estavam na faixa de (mas não se limitam a) 0- 200 mL/min para o conjunto de condições associadas. Cada espectro e Xmin associado de correlaciona a uma cor distinta como visto na escala de cor no topo do gráfico (a escala de cor está reproduzida em preto e branco. - A escala original começarici com rosa na extremidade esquerda, escurecendo para violeta, violeta azulado, e azul escuro no centro, e, então, desbotando até azul claro na extremidade direita). Seguindo o marcador 5 a partir do comprimento de onda mínimo 2 da curva espectral do material endurecido 1 até a escala de cor no topo do gráfico indica que um λmin de 720 nm teria uma aparência visual azul clara 6. Seguindo o marcador 7 a partir do comprimento de onda mínimo 4 da curva espectral do material pós-endurecido 3 até a escala de cor no topo do gráfico indica que um λ min de 480 nm teria uma aparência visual violeta 8. Portanto, usando-se o λ min como uma designação para cor da película permite a representação de espaço de cor tridimensional através de um único parâmetro.

A segunda etapa para se conseguir controle de cor é desenvolver um circuito de realimentação que permite que uma cor final seja mantida independente de mudanças na espessura e no índice de refração da película de oxido metálico rígido, ou mudanças nos parâmetros associados ao processo de coloração oxido-térmico (por exemplo, temperatura, concentração de gás, etc.). A Figura 6 representa um circuito de alimentação automatizado de controle de cor consistindo em um sistema de espectrômetro 9, um processador 13, um controlador de fluxo de massa 14, e uma fornalha de endurecimento equipada com uma zona de oxidação- 15. Um programa de software, dentro do processador, comunica-se com e controla o espectrômetro, analisa os espectros de reflexão, e comunica-se com e controla o controlador de fluxo de massa. O sistema do espectrômetro 9 consiste em uma fonte de luz 10, por exemplo, uma fonte de luz de tungstênio, um espectrômetro 11, e um ponto de prova de reflexão/retrodispersão de fibra óptica 12. A luz da fonte de luz 10 é unida a um feixe de seis fibras de iluminação 17. Estas seis fibras de iluminação cercam uma fibra de leitura localizada no centro 18, que é unida ao espectrômetro 11. A luz emitida a partir das fibras de iluminação 17 são direcionadas â amostra 16.

A luz refletida da amostra é, então, coletada pela fibra de leitura central 18, e unida ao espectrômetro 11. Dentro do espectrômetro 11, a luz é colimada e dispersada a partir de um retículo de difração em um conjunto de detetores, cujos pixels são espacialmente calibrados de modo a correlacionar a posição linear ao longo do conjunto a um comprimento de onda em particular. Um processador 13 mostra a intensidade da luz refletida em cada comprimento de onda. Os diâmetros do núcleo da fibra estão, tipicamente, (mas não se limitando a) na faixa de 100-400 mícrons. Um diâmetro do núcleo dè fibra menor permite um diâmetro menor de área de amostragem em detrimento da eficiência de união óptica mais baixa na fibra, resultando em menos luz disponível para a medição. O processador determina o comprimento de onda com o mínimo de luz refletida, e então envia um controle de voltagem calculado VN+1 19 para um controlador de fluxo de massa 14' que controla a quantidade de fluxo de ar na zona de oxidáção 15, completando deste modo o circuito de realimencação. O controle de voltagem calculado está relacionado â diferença entre o comprimento de onda final de reflectância mínima, λ T, e o comprimento de onda medido de reflectância mínima, λmin. O cálculo de controle de tensão pode utilizar retroinformação tradicional proporcional, integral e derivada (PID) com base na diferença de cor e/ou incorporar uma variedade de técnicas de alimentação contínua e modelagem adaptativa para reduzir a variação de cor também atribuída à interferência. Um exemplo de um algoritmo usado para determinar o controle de voltagem do controlador de fluxo de massa (MFC) necessário para se alcançar (λT - λmin) < limite, seria o seguinte

<formula>formula see original document page 29</formula>

em que

Vn+1: o novo controle de voltagem do MFC em unidades de volts

Vn: o antigo controle de voltagem do MFC em unidades de volts

∆V: as mudanças necessária no controle de voltagem para que (λT - λmin) < limite, em volts λT: o comprimento de onda mínimo final em unidades de nm

λmin= o comprimento de onda mínimo medido em unidades de nm

G: o ajuste de ganho do circuito de realimentação, sem unidade

Mcor: o coeficiente angular de cor em unidades de (nm-min)/mL

MMFC: o coeficiente angular do controlador de fluxo de massa em unidades de mL/(min-volt) Na equação 4 acima, a nova voltagem de ajuste do MFC, Vn+1, necessária para fazer o (λT - λmin) ser menor que algum limite predeterminado, T, é igual ao ajuste de voltagem existente, Vn, mais algum ajuste de voltagem, AV. 0 coeficiente angular de cor, Mcor, determinado experimentalmente, é o coeficiente angular do Xmin em contraste com a curva da taxa de fluxo de ar para um material de lâmina de aço específico revestido de oxido metálico e parâmetros da fornalha de endurecimento. 0 coeficiente angular do MFC, Mmfc, é a equação descrevendo a relação entre a voltagem aplicada ao MFC e a taxa de fluxo associada a mesma. Por exemplo, se a faixa de fluxo do MFC é de 0-2 00 mL/min para um controle de voltagem correspondente de 0-5 volts, o coeficiente angular será de 40 mL/(min- volt) . O limite T, pode ser ajustado bem baixo para controle de cor compacto, ou mesmo ser ajustado para zero. Um fluxograma representando o processo de retroalimentação do controle de cor é mostrado na Figura 7.

Um gráfico exibindo o desempenho do circuito de realimentação é mostrado na Figura 8. Os pontos de dados triangulares 100 no topo do gráfico representam comprimento de onda mínimo (AR Xmin) conforme recebido (pré-endurecido) , medido a partir do espectro de reflexão da película de dióxido de titânio na lâmina de aço. 0 valor médio é de 760,4 nm, com um desvio padrão de 2,8 nm. Para simular um grande diferencial entre o Xmin de uma película de oxido metálico rígido na lâmina de aço pré-endurecida e o comprimento de onda mínimo final λτ, e para demonstrar a faixa de controle de cor, o ponto de ajuste, ou cor final, λτ, foi modificado de maneira incrementai conforme visto na escala de linhas tracejadas 101, 102,..., 108. Os losangos, 109, 110..., 116, cercando as linhas tracejadas, representam uma medida mínima de comprimento de onda pós-endurecimento, AH Xmin, em um controle de retroinf ormação. 0 Xmin medido segue um ponto de ajuste λτ com um desvio padrão de cerca de 3,3 nm. A média das varreduras espectrais podem ser usadas para otimizar a razão entre o sinal e a interferência, e reduzir erro de medição em detrimento de um intervalo de tempo mais longo entre as atualizações.

Para otimizar a capacidade de resposta do circuito de realimentação, o tempo de resposta do controlador de fluxo de massa deve ser o mais rápido possível, e o volume de espaço compreendendo a zona de oxidação e a tubulação associada a mesma que carrega o ar seco puro para a zona de oxidação: deve ser minimizado. Além disso, uma vez que a lâmina 'de aço movimenta-se através da fornalha de endurecimento e zona de oxidação a velocidades relativamente altas, (por exemplo, 60,9 cm/s (24 pol./segundo)) , é importante posicionar a ponta de prova da fibra óptica do espectrômetro (ou outro instrumento de medição) o mais perto possível da porta de saída de oxidação.

Conforme a espessura da película aumenta, os espectros de reflectância podem exibir máximos e mínimos múltiplos correspondentes a sucessivas ordens de interferência, m. Se múltiplas reflectâncias mínimas existirem dentro do limite do comprimento de onda do espectrômetro, o programa de software do processador pode usar uma função de janelas para limitar a busca do Xmin para uma porção específica daquele limite de comprimento de onda de modo a isolar o espectral mínimo correspondente a uma ordem de interferência específica. Softwares mais complexos podem utilizar o número e localização de múltiplos máximos e mínimos de reflexão para monitorar e controlar a cor da tira.

Diversas modalidades da invenção foram descritas. Todavia, deve-se compreender que várias modificações podem ser feitas sem se afastar do espírito e do escopo da invenção.

Por exemplo, em adição ao uso de uma característica do espectro de reflexão medido com um espectrômetro como o parâmetro de controle de retroinformação, outros tipos de sistemas de medição com suas próprias características podem ser usados para especificar um parâmetro de controle para o circuito de realimentação. Por exemplo, um sensor diferenciador de três fontes de luz coloridas "RGB", pode representar a cor usando as razões da luz vermelha, verde e azul refletidas a partir do material de amostra em comparação às razões destas cores a partir de um material de uma cor final esipecífica. A saída do sensor é uma porcentagem representando quão perto a cor do material de amostra está da cor do material final. A saída do sensor pode ser usada como o parâmetro de controle do circuito de realimentação.

Além disso, conforme observado acima, o máximo de reflectânc ia, Xmax/ pode ser usado como uma designaçao para cor mais do que Xmin, e segue uma relação similar para interferência de película delgada.

Conseqüentemente, outras modalidades estão no escopo dás reivindicações apresentadas a seguir. As dimensões e valores apresentados na presente invenção :não devem ser compreendidos como estando estritamente limitados aos exatos valores numéricos mencionados. Em vez disso, exceto onde especificado em contrário, cada uma dessas dimensões se destina a significar tanto o valor mencionado como uma faixa de valores funcionalmente equivalentes em torno daquele valor. Por exemplo, uma dimensão apresentada como "40 mm" destina-se a significar "cerca de 40 mm".

Todos os documentos citados na Descrição Detalhada da Invenção são, em sua parte relevante, aqui incorporadas por referência, e a citação de qualquer documento não deve ser interpretada como admissão de que este represente técnica anterior com respeito à presente invenção. No caso de qualquer significado ou definição de um termo neste documento entrar em conflito com qualquer significado ou definição do mesmo termo em um documento incorporado por referência, o significado ou definição atribuído àquele termo neste documento deve reger.

Embora modalidades particulares da presente invenção tenham sido ilustradas e descritas, deve ficar evidente aos versados na técnica que várias outras alterações e modificações podem ser feitas sem que se desvie do caráter e âmbito da invenção. Portanto, pretende-se cobrir nas reivindicações anexas todas essas alterações e modificações que se enquadram no escopo da presente invenção.

Claims (11)

1. Processo para fabricação de uma lâmina de barbear ou depilar caracterizado pelo fato de compreender: um circuito de realimentação automatizado, a medição de um parâmetro de cor de uma tira de aço da lâmina que sai de um processo de coloração, a comparação da cor medida com uma cor final e a quantificação da diferença entre as mesmas e, se a diferença exceder um limite predeterminado, o ajuste de um parâmetro de ajuste de cor para que a cor medida e a cor final sejam equivalentes ou fiquem dentro de uma variância predeterminada.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processo de coloração inclui a passagem da tira de aço através de uma zona de oxidação, e o parâmetro de ajuste de cor compreende uma taxa de fluxo de ar na zona de oxidação.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a etapa de medição compreende a medição do espectro de reflexão da lâmina de aço.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o parâmetro de cor é o valor máximo ou mínimo do espectro de reflexão.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a etapa de medição é feita usando-se um espectrômetro.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a etapa de ajuste compreende o uso de um controlador de fluxo de massa para ajustar o fluxo de ar.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processo de coloração compreende um processo de oxidação térmica ou um processo de redução/re-oxidação.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o processo de oxidação térmica ou o processo de redução/re-oxidação são partes do processo de endurecimento do aço.

9. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a quantificação da diferença é realizâda por um processador.

10. Sistema para controle automatizado de cor de lâmina de barbear ou depilar caracterizado pelo fato de compreender: um espectrômetro configurado para medir o espectro de reflexão da lâmina de aço conforme ela sai do processo de colorização, um controlador configurado para ajustar um parâmetro do processo de colorização, um processador configurado para determinar um parâmetro associado ao espectro de reflexão medido, calcular a diferença entre o parâmetro medido e um valor final predeterminado e, se a diferença estiver acima de um limite predeterminado, enviar uma tensão ao controlador de fluxo de massa, e uma fornalha de endurecimento equipada com uma zona de oxidação.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o parâmetro é o comprimento de onda da luz mínima refletida (Xmín) ou da luz máxima refletida Xmáx) do espectro de reflexão ou mínimos ou máximos de ordem mais alta.