RU2146200C1

RU2146200C1 - Laser labeling process

Info

Publication number: RU2146200C1
Application number: RU97121833A
Authority: RU
Inventors: В.П. Бессмельцев; С.Г. Баев; В.А. Слуев; Г.Н. Алферов
Original assignee: Институт автоматики и электрометрии СО РАН
Priority date: 1997-12-26
Filing date: 1997-12-26
Publication date: 2000-03-10

Abstract

FIELD: laser labeling of items by applying alphanumeric or graphical information. SUBSTANCE: label is made of multilayer material possessing properties ensuring that when pattern is formed by selective action of varying-energy-density laser beam brought to layer being modified, this laser beam modifies application layers in turn to shape visible pattern. Application layers can be modified by layer-by-layer ablation, layer-by-layer cutting, and thermochemical transformation processes. Pattern can be formed in different application layers as entity or each layer can bear different pattern, and engraving can be made on glass. Another difference is that elements of pattern obtained by laser action on label at one or other energy density of laser beam brought to layer being modified form independent patterns bearing different information and other than that of jointly formed pattern. In addition, when use is made of glass or other laser-beam absorbing container bearing label composed of paper or plastic substrate with layer of contrasting-color dye applied to its surface, laser beam functions in labeling to remove dye layer by laser ablation, to cut substrate all way through, and to engrave item surface. As an alternative, dye on substrate is removed selectively and item label is engraved or heat-sensing layer is exposed to laser beam through high-melting layer thereby forming concealed pattern. EFFECT: improved quality and informative capacity of label; improved protection of item against unauthorized copying. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к способам для создания рисунков и знаков на изделиях, в том числе меток, служащих для защиты изделий от несанкционированного копирования, а более конкретно, к лазерным методам нанесения алфавитно-цифровой или графической информации на изделия - лазерной маркировке. The invention relates to methods for creating patterns and signs on products, including labels, used to protect products from unauthorized copying, and more particularly, to laser methods for applying alphanumeric or graphic information to products - laser marking.

Известен способ маркировки поверхности объекта с помощью лазерного луча, при котором на поверхности объекта нанесен термо- или фотореактивный слой красителя, заключенный в вещество-связующее, в котором в связанном состоянии также находится второе химически активное вещество. При воздействии на указанный слой сфокусированного лазерного пучка, при определенной экспозиции указанные связанные компоненты вступают в химическую реакцию образуя, контрастный рисунок [1]. A known method of marking the surface of an object using a laser beam, in which a thermo- or photoreactive dye layer is deposited on the surface of the object, enclosed in a binder substance, in which a second chemically active substance is also in a bound state. When a focused laser beam is exposed to a specified layer, at a certain exposure, these related components enter into a chemical reaction, forming a contrasting pattern [1].

Известен также способ нанесения идентификационных меток на прозрачных материалах, заключающийся в гравировке лазерным лучом углублений на поверхности прозрачного материала, образующих рассеивающие центры, создающие видимый рисунок [2]. There is also a method of applying identification marks on transparent materials, which consists in engraving with a laser beam the recesses on the surface of the transparent material, forming scattering centers that create a visible pattern [2].

Известны также способы маркировки [3], в которых изделие покрывается двумя слоями вещества, причем нижний слой имеет один цвет, а верхний - другой, контрастный к первому. При маркировке изделие сканируется лазерным лучом по поверхности так, чтобы при заданной мощности излучения лазерный луч локально удалял только верхний слой покрытия, в соответствии с заданным рисунком. При этом образуется контрастный стойкий к внешним воздействиям рисунок. Marking methods [3] are also known, in which the product is coated with two layers of a substance, the lower layer having one color and the upper one another, contrasting with the first. When marking, the product is scanned by the laser beam over the surface so that, for a given radiation power, the laser beam locally removes only the top coating layer, in accordance with the specified pattern. At the same time, a contrast-resistant pattern is formed.

Известные способы маркировки изделий не позволяют создать рисунок с высокой степенью защиты от несанкционированного копирования - то есть от маркировки другими - не лазерными методами, что позволяет, применив другой способ, например механической гравировки или масочного экспонирования от УФ или ИК источника получить маркировку идентичную лазерной. Known methods for marking products do not allow you to create a pattern with a high degree of protection against unauthorized copying - that is, from marking by other - non-laser methods, which allows, using another method, for example, mechanical engraving or mask exposure from a UV or IR source, to obtain a marking identical to laser.

Известен также способ создания цветного рисунка, при котором на подложку наносится моногослойное покрытие, при этом каждый слой имеет свой, отличающийся от соседнего и цвета подложки, цвет. Путем последовательного изменения мощности лазерного луча изменяют глубину гравировки, что позволяет селективно удалять заданное количество слоев и, таким образом, формировать элементы различного цвета [4]. There is also a method of creating a color pattern, in which a monolayer coating is applied to the substrate, each layer having its own color, different from the neighboring color and the substrate. By successively changing the power of the laser beam, the engraving depth is changed, which allows you to selectively remove a given number of layers and, thus, to form elements of different colors [4].

Известен способ маркировки изделий, предусматривающий следующие операции: изготовление аппликации, состоящей из многослойного материала, содержащего по крайней мере два слоя, маркировка аппликации путем вырезания движущимся лазерным лучом конфигурации, необходимой для идентификационной маркировки [5]. A known method of marking products, comprising the following operations: making an application consisting of a multilayer material containing at least two layers, marking the application by cutting out with a moving laser beam the configuration necessary for identification marking [5].

Однако существующий способ также слабо защищен от несанкционированного копирования другими не лазерными способами, например возможна фигурная резка рисунка на поверхности материала обычными механическими методами. Кроме того, информация, записывающаяся в многослойном материале, имеет один рисунок или контур и, таким образом, не используются полные возможности записи с большей информационной плотностью. However, the existing method is also poorly protected from unauthorized copying by other non-laser methods, for example, figured cutting of a pattern on the surface of a material by conventional mechanical methods is possible. In addition, the information recorded in the multilayer material has one drawing or contour and, therefore, the full recording capabilities with a higher information density are not used.

Целью настоящего изобретения является улучшение качества маркировки, степени защиты изделия от несанкционированного копирования и повышения информационной емкости маркировки. The aim of the present invention is to improve the quality of marking, the degree of protection of the product from unauthorized copying and increase the information capacity of marking.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе маркировки, включающем формирование аппликации, содержащей по крайней мере два слоя примыкающих к друг другу материалов, укреплении аппликации на подложку и селективном воздействии на аппликацию лазерного пучка с регулируемой в соответствии с требуемым рисунком плотностью мощности, лазерный луч поочередно модифицирует слои материального носителя аппликации и подложку, формируя элементы изображения, при этом плотность мощности лазерного луча регулируется таким образом, чтобы вызвать в каждом отдельном слое и подложке различные физико-химические реакции записи при этом элементы рисунка полученного при лазерном воздействии на слои аппликации и подложки при различных значениях плотности мощности, в результате образуют самостоятельные рисунки, информация в которых отличается друг от друга и рисунка образованного совместно. This goal is achieved by the fact that in the known method of marking, including the formation of an application containing at least two layers of adjacent materials, strengthening the application on the substrate and selectively affecting the application of the laser beam with a power density adjustable in accordance with the required pattern, the laser beam alternately modifies the layers of the material carrier of the application and the substrate, forming image elements, while the power density of the laser beam is adjusted so that cause in each layer and the substrate different physico-chemical reactions recording while figure elements obtained by laser irradiation of the layers applique and the substrate at different values of power density, resulting form independent pictures, information that is different from each other and the pattern formed together.

Кроме того, при использовании стеклянной и другой поглощающей лазерное излучение упаковки или тары с наклеенной на ее поверхность аппликацией (этикеткой), состоящей из бумажной или пластиковой подложки с нанесенным на ее поверхности слоем контрастной по отношению к подложке краски, для выполнения маркировки лазерный луч, в соответствии с заданным рисунком, последовательно: удаляет путем лазерной абляции фрагменты красочного слоя, производит сквозные разрезы аппликации, не гравируя поверхность подложки, производит сквозные разрезы в аппликации, гравируя поверхность изделия. In addition, when using glass and other laser-absorbing packaging or containers with an application (label) glued on its surface, consisting of a paper or plastic substrate with a layer of a paint contrasting with the substrate applied to its surface, to mark the laser beam, according to the given pattern, sequentially: removes fragments of the paint layer by laser ablation, makes through cuts of the application, without engraving the surface of the substrate, makes through cuts in a plication by engraving the surface of the product.

Еще одно отличие состоит в том, что в аппликацию (этикетку) вводят слой с высокой оптической плотностью, высокой плотностью энергии модификации и высокой теплопроводностью и прилегающий к нему термочувствительный слой и далее выбирают плотность мощности такую, что при сканировании поверхности аппликации сфокусированным лазерным лучом модификации первого слоя не происходит, а в прилегающем к нему термочувствительном слое образуется рисунок, видимый со стороны термочувствительного слоя. Another difference is that a layer with high optical density, high modification energy density and high thermal conductivity and an adjacent heat-sensitive layer is introduced into the application (label), and then the power density is chosen such that when scanning the application surface with a focused laser beam, the first modification the layer does not occur, and in the adjacent heat-sensitive layer a pattern is formed, visible from the heat-sensitive layer.

На фиг. 1 приведен пример маркировки, выполненной на аппликации с термочувствительным верхним слоем. In FIG. Figure 1 shows an example of marking made on an application with a heat-sensitive top layer.

На фиг. 2 приведен пример выполнения маркировки, при которой элементы изображения образуют как единый, так и отдельные рисунки. In FIG. Figure 2 shows an example of marking, in which the image elements form both a single and separate drawings.

На фиг. 3 приведен общий вид отмаркированной этикетки, наклеенной на изделие типа стеклянной бутылки, с нанесенным на поверхности этикетки слоем краски. In FIG. Figure 3 shows a general view of a marked label glued to a product such as a glass bottle with a layer of paint applied to the surface of the label.

Примеры способов маркировки: проводилась маркировка аппликации (этикетки) 1 (фиг. 1), состоящей из полимерно-бумажной подложки толщиной 0,1 мм с нанесенным на ее поверхности термочувствительным слоем 2 типа (стеарата цинка). Этикетка нанесена на поверхность объекта 3. Поверхность этикетки сканировалась лучом CO₂ лазера фирмы "Синрад" США, мощностью 30 Вт, сфокусированного с помощью оптической системы в пятно размером 60 мкм. В исходном состоянии поверхность аппликации имеет белый цвет. Для создания рисунка маркировки на термочувствительный слой направляется лазерный луч, движущейся со скоростью 5 м/сек, при мощности 30 Вт. При этом происходит термохимическая реакция в верхнем термочувствительном слое и образуется элемент изображения 4 высокой плотности (1,5 Д) и, таким образом, элемент рисунка. После формирования контрастного элемента рисунка 4 скорость лазерного луча снижалась примерно до 0,5 м/сек. При этой мощности лазерный луч удаляет термочувствительный слой и прорезает подложку, образуя хорошо видимый элемент маркировки 5. При наложении аппликации на изделие, имеющее отличный от цвета подложки цвет, образуются две связных системы рисунков - черный на белом фоне и цвета материала изделия также на белом фоне.Examples of labeling methods: application (label) 1 was labeled (Fig. 1), consisting of a 0.1 mm thick polymer-paper substrate with a type 2 heat-sensitive layer deposited on its surface (zinc stearate). The label is applied to the surface of the object 3. The surface of the label was scanned by a CO ₂ beam from a Sinrad USA laser with a power of 30 W, focused with an optical system to a spot of 60 μm in size. In the initial state, the surface of the application is white. To create a marking pattern, a laser beam traveling at a speed of 5 m / s at a power of 30 watts is sent to the heat-sensitive layer. In this case, a thermochemical reaction takes place in the upper thermosensitive layer and an image element 4 of high density (1.5 D) is formed and, thus, an image element. After the formation of the contrasting element of Figure 4, the laser beam velocity decreased to approximately 0.5 m / s. At this power, the laser beam removes the heat-sensitive layer and cuts through the substrate, forming a clearly visible marking element 5. When an application is applied to a product having a color different from the substrate color, two connected picture systems are formed - black on a white background and the color of the product material also on a white background .

В общем случае рисунки, сформированные при скорости движения луча 5 м/сек и при скорости 0,5 м/сек могут быть различными и частично перекрывающимися. На фиг. 2 показан вид такой маркировки - черными линиями 6 обозначены элементы рисунка, сформированные путем термохимической реакции в верхнем термочувствительном слое, при которой на поверхности аппликации образуются линии высокой плотности, заштрихованными линиями 7 обозначены элементы маркировки, образованные при низкой скорости записи путем полного прорезания аппликации 1 насквозь. Видно, что образованные таким образом рисунки несут различную информацию. In the general case, patterns formed at a beam speed of 5 m / s and at a speed of 0.5 m / s can be different and partially overlapping. In FIG. Figure 2 shows the type of such marking - black lines 6 indicate pattern elements formed by a thermochemical reaction in the upper heat-sensitive layer, in which high density lines are formed on the application surface, hatched lines 7 indicate marking elements formed at a low recording speed by completely cutting through the application 1 through and through . It can be seen that the drawings formed in this way carry various information.

В случае проведения маркировки (фиг. 3) на этикетке, 1 состоящей из бумажной подложки 8, толщиной 0,1-0,3 мм, с нанесенным на ее поверхности методом полиграфической печати красочным слоем 9, толщиной 1-10 мкм, наклеенной на изделие 3, например на стеклянную бутылку, поверхность которой хорошо поглощает излучение CO₂ лазера. Маркировка производится следующим образом. При взаимодействии движущегося лазерного луча со скоростью около 1 м /сек, мощностью 30 Вт с размером лазерного луча в зоне маркировки около 60 мкм, происходит процесс абляции красочного слоя, и слой в зоне взаимодействия лазерного луча с бумажной подложки удаляется, открывая поверхность 10 подложки 8 (обычно светлых тонов). При использовании краски контрастного к подложке цвета, например, черного, образуется белый элемент изображения на черном фоне. Затем скорость движения луча замедляется до величины достаточной, чтобы происходил процесс лазерной резки подложки, примерно до 0,5 м/сек и, таким образом формируется элемент изображения 11. При уменьшении скорости примерно до 0,2 м/сек лазерный луч не только прорезает подложку, но и гравирует поверхность объекта (стеклянной бутылки), создавая микроуглубление 12 на поверхности изделия 3. Таким образом, рисунок маркировки состоит из трех элементарных составляющих, имеющих различный вид, глубину и физические свойства, а именно: элементы высокой контрастности 10, полученные путем удаления красочного слоя с подложки, элементы 11, прорезанные в подложке и элементы, прорезанные в подложке, совмещенные с гравировкой 12 на изделии 3.In the case of marking (Fig. 3) on a label 1 consisting of a paper substrate 8, 0.1-0.3 mm thick, with a colorful layer 9, 1-10 microns thick, applied to the product, applied on the surface of the printing method 3, for example, on a glass bottle whose surface absorbs well the radiation of a CO ₂ laser. Marking is as follows. When a moving laser beam interacts with a speed of about 1 m / s and a power of 30 W with a laser beam in the marking zone of about 60 μm, the ablation of the paint layer occurs and the layer in the zone of interaction of the laser beam from the paper substrate is removed, revealing the surface 10 of the substrate 8 (usually light colors). When using paint of a contrasting color to the substrate, for example, black, a white image element is formed on a black background. Then, the speed of the beam is slowed down to a value sufficient for the laser cutting of the substrate to occur, to about 0.5 m / s, and thus the image element 11 is formed. When the speed decreases to about 0.2 m / s, the laser beam not only cuts through the substrate , but also engraves the surface of the object (glass bottle), creating a micro-recess 12 on the surface of the product 3. Thus, the marking pattern consists of three elementary components having a different appearance, depth and physical properties, namely: elements of high ontrastnosti 10 obtained by the removal of the paint layer to the substrate, the elements 11 cut into the substrate and elements are cut into the substrate 12 aligned with the engraving on the product 3.

При маркировке аппликации, состоящей из верхнего термостойкого слоя с высокой теплопроводностью, например, покрытого титаном толщиной 5 мкм и нижнего термочувствительного слоя, например лавсана, содержащего термочувствительный компонент - стеарат цинка, при сканировании по ней лазерным пучком с указанными ранее параметрами при скорости 1 м/сек за счет хорошей теплопроводности верхнего титанового слоя в лавсановой композиции происходит термохимическая реакция, при этом образуются элементы с высокой плотностью, которые не наблюдаются со стороны слоя с нанесенным титаном, но видны с обратной стороны. When marking an application consisting of an upper heat-resistant layer with high thermal conductivity, for example, coated with titanium with a thickness of 5 μm and a lower heat-sensitive layer, for example, lavsan containing a heat-sensitive component - zinc stearate, when scanning through it with a laser beam with the above parameters at a speed of 1 m / sec due to the good thermal conductivity of the upper titanium layer in the lavsan composition, a thermochemical reaction occurs, with the formation of elements with high density, which are not observed with on the side of the titanium coated layer, but visible from the back.

Применение многоуровнего способа маркировки существенно повышает защищенность изделия от несанкционированного копирования, поскольку при маркировке таких рисунков другими способами требуется точное геометрическое совмещение рисунков, сформированных в одном и других слоях. В предлагаемом способе лазерной гравировки это происходит автоматически. Кроме того, для получения таких же рисунков при маркировке другими способами - например на материале с термочувствительным наружным слоем потребуется как минимум два различных устройства, а именно термопечатающая головка, с помощью которой можно нанести рисунок на верхний слой, вырубной штамп со вторым рисунком, причем устройство для вырубки отверстий фигурным способом должно позволять точно совмещать оба изображения. При размере сканирующего луча около 50 мкм минимальный размер линии на термочувствительном материале может быть доведен до 10 мкм. Такие же размеры отверстий могут быть получены и при лазерной фигурной резке. В настоящее время нам не известен промышленный способ, обеспечивающий создание рисунков в многослойном материале с приведенными выше качественными параметрами. В случае многослойной маркировки на аппликациях, уже укрепленных на изделие, обычные способы маркировки с прорезанием аппликации до материала изделия без повреждения изделия чрезвычайно сложны и неконкурентоспособны по производительности с лазерными методами. The use of a multi-level marking method significantly increases the security of the product from unauthorized copying, since when marking such patterns in other ways, precise geometric combination of patterns formed in one and other layers is required. In the proposed method of laser engraving, this happens automatically. In addition, to obtain the same patterns when marking in other ways - for example, on a material with a heat-sensitive outer layer, at least two different devices will be needed, namely a thermal head, with which you can apply a pattern to the top layer, a die cut with a second pattern, and the device for punching holes in a figured way should allow accurately combine both images. With a scanning beam size of about 50 μm, the minimum line size on a heat-sensitive material can be brought up to 10 μm. The same hole sizes can be obtained with laser shaped cutting. Currently, we do not know the industrial method for creating patterns in a multilayer material with the above quality parameters. In the case of multi-layer marking on applications already attached to the product, conventional marking methods by cutting the application to the product material without damaging the product are extremely complex and uncompetitive in performance with laser methods.

Намечено серийное внедрение представленных выше способов маркировки на поточных линиях по выпуску напитков с производительностью до 6 тысяч бутылок в час. Эффективность защиты изделий проверена экспериментально на примере Барнаульского ликероводочного завода (БЛВЗ). The serial implementation of the above marking methods on beverage production lines with a capacity of up to 6 thousand bottles per hour is planned. The effectiveness of product protection was verified experimentally using the example of the Barnaul Distillery (BLVZ).

Литература:
1. Пат. США N 5608429, В 32 В 031/00, опубл. 4.03.1997.Literature:
1. Pat. USA N 5608429, 32 V 031/00, publ. March 4, 1997.

2. Пат. США N 3657085, B 01 G 001/01, опубл. 18.03.1972. 2. Pat. U.S. N 3657085, B 01 G 001/01, publ. 03/18/1972.

3. Пат. США N 5474627, В 32 В 031/00, опубл. 12.12.1997. 3. Pat. US N 5474627, 32 V 031/00, publ. 12/12/1997.

4. Пат. Франции N 2575114, B 44 C 1/22, опубл. 27.06.1986. 4. Pat. France N 2575114, B 44 C 1/22, publ. 06/27/1986.

5. Пат. США N 5603796, В 32 В 031/00, опубл. 18.02.1997. 5. Pat. USA N 5603796, 32 V 031/00, publ. 02/18/1997.

Claims

1. The method of laser marking of products, including the formation of applications from adjacent to each other at least two layers of materials and exposure to a laser beam with a variable laser power density in accordance with the generated marking pattern, characterized in that the laser beam power density is regulated by in such a way as to cause various physicochemical reactions to record information in separate layers, and picture elements made at different values of the power density of the laser beam, as a result of ltate form independent drawings, in which information is different from each other and formed by drawing together.

2. The method according to claim 1, characterized in that the application uses a label for glass containers, consisting of a paper or plastic substrate with a thin colorful layer deposited on the substrate, different in color from the substrate material, and with a laser beam in accordance with a given pattern sequentially locally: remove the ablative layer by ablation, cut through the substrate layer through and engrave the glass surface, forming a given pattern.

3. The method according to claim 1, characterized in that a layer with high optical density, high modification energy density and high thermal conductivity and an adjacent heat-sensitive layer is introduced into the application, and then a power density is chosen such that the modification of the first layer does not occur, but a heat-sensitive layer adjacent to it forms a pattern.