CN103889642B - 在压花钢辊上产生具有结构的表面的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种利用短脉冲激光在压花钢辊的表面上形成结构的方法，其中所述结构为维度超过20μm而深度达150μm和更多的宏观结构，结构本身的区别来自以下参数组合：a)在单个脉冲操作中，能流在0.5J/cm²到3.5J/cm²范围内，以及在脉冲串模式中，平均脉冲串能流为每脉冲0.5J/cm2到70J/cm2，b)波长为532nm至1064nm，c)重复率为1kHz到10MHz，d)工件上的脉冲到脉冲间隔，对于飞秒激光为光束直径的10％至50％，对于皮秒激光，为光束宽度的10-25％和40-50％，e)激光脉冲位置接近工件表面，以及f)偏转速度达100m/s和更高。这样的方法允许制造具有用于产生徽标的辊齿和间隙的完整的压花辊，辊齿具有可变的高度、形状和间距，用于对例如卷烟包装的内衬压花。

Description

在压花钢辊上产生具有结构的表面的方法和设备

技术领域

本发明涉及通过短脉冲激光在压花钢辊上产生具有结构的表面的方法和设备，该结构为宏观结构，该宏观结构的维度超过20μm而深度达200μm和更多。

背景技术

压花钢辊，例如用于，对用作所谓包装卷烟的内衬的箔来压花，主要通过本发明的申请人，如按照WO-2009/155720，US-7036347或EP2336823而公知。利用这样的压花辊，使这些箔同时被进行抛光处理，即在大面积上均质地提供非常细的凹陷，并提供徽标，在这些徽标位置压花辊的辊齿被完全或部分地去除。此外，压花辊上的辊齿和/或间隙可以成形为给箔提供鉴别特征和/或强化等。此外，根据授予本发明申请人的EP2027994A2，有些压花辊被设计为折页辊。

所以，现有技术的压花辊在所谓针向上配置的情况下具有非常细的辊齿,而在所谓针向下配置情况下具有对应于辊齿的凹陷，以及就有产生未压花徽标的间隙，并且比如根据US-7229681，这些辊齿可以具有叠加的微观结构。

其厚度在大约5μm到大约400μm的箔包括，薄金属箔，如铝箔；所有种类的合成箔；具有纸和/或合成层的杂合成分的箔，可能提供金属喷镀，等等。它们还包括上文提及的内衬的重要类别，这种内衬例如，被用于卷烟包装并可以如由镀金属的纸张组成。

此外，应当注意，尽管纯粹的机械加工会在质量和数量上产生非常好的结果，但是可能性受限于加工工具的尺寸。机械加工总是留下毛刺或者其他不需要且令人不快的痕迹。最重要的是，在没有巨大支出的情况下，无法生产出具有在不选择情况下就能够配对的互补的正/负──公/母，或针向上-针向下结构的大的辊表面。

在RU-2368504中建议，产生徽标间隙时主要通过电侵蚀或电化学方式，其中能够以相同方式或机械方式制造辊齿。在诸如铜的均质材料上这种高质量是可能的，然而钢的粒状基本结构使得以高质量直接加工表面更加困难。以当前技术，这些方法不适于合理的工业生产，因为它们极为消耗时间和材料。

利用当前的脉冲宽度大约为30ns的钕-YAG型消融激光系统，有可能在更小表面上在大约100μm的深度向下到大约70μm的行间隔实现某种程度上更精细的加工。

此外，在WO-2007/012215A1、EP-2327502A1和EP-2327503A1(全部是本发明的申请人的专利申请)中，所公开的激光系统适于在压花辊上产生非常精细比如晶格结构之类的结构，脉冲长度在纳秒至飞秒范围内的激光被用于产生在纳米范围内的晶格。

这些方法很好地适于在微米和亚微米范围内对小表面积形成微观结构，但是不适于在压花表面上以大约20μm及以上的结构细节对钢进行想要的直接大表面微细加工(macro-machining)。具有硬钢表面的辊是令人关注的，不过，由于它们允许直接地和快速地对箔和更确切地说是对内衬压花，所以这些箔很薄而相对地无弹性并且由于其水蒸气密闭性非常适于食物安全包装。

不过，有需要快速地、一致地或者具有有意的差异地来提供大的表面积，如整个压花辊或者可能是多个同样的压花辊，即以高的绝对和相对精度，结构从20μm上至400μm，而深度深至400μm，这样的结构包括辊齿和相关联的凹陷，根据情况而定。

利用塑性涂层柱面上激光的公知雕刻方法，使用数字存储的、表示被分解为像素的图像的数据。这些像素通常产生小杯形的凹陷。声-光调制器用于以许多强度等级调制激光束的强度，从而在印刷模具被压在例如箔上时，例如根据EP-1245326产生灰度阴影或亮度差异。在这种情况下，由于二维点阵中焦点的排列，点阵中紧密邻近的雕刻不利地彼此影响。可能导致相当多的热量产生或者材料或局部压花图案的不希望的变化。此外，从杯附近的表面飞起的大量消融残渣和微粒令人不快。最后，该过程在如此定义的表面积，例如10mm×10mm内以所谓的块结构形式被清理。

在执行可能引起不连续性的机械运动以及在加工操作前必须被缓和的震动之后，再加工下一个块。过多的跳跃可能导致空气紊乱，它可能使得连续排出残渣复杂化。

根据WO-97/19783已知，使用两束分开的激光进行激光雕刻，一束用于精细雕刻而第二束用于深雕刻。不过，没有公开对种类、功率和脉冲持续时间作为一方面，以及对雕刻深度的具体指示。

US-5416298和WO-2009/010244A1公开的激光雕刻装置适于雕刻旋转印刷模具，而未展示关于逐块技术的上述提及的缺点。在螺旋线上以非常高的速度和高质量执行雕刻。重要优点在于，由于应用了偏转单元，如声光或电光调制器，表面的每个点都由多个激光脉冲而不是由单个激光脉冲处理。各个脉冲的撞击之间的时间间隔可以选择为大到足以避免相互干扰或热过载。

不过，没有公开与产生上述具有宏观结构的压花辊相关的数据，即高度为0.1至0.4mm的非常大量的辊齿以及用于产生大多数不同种类徽标或其他结构的无辊齿表面，在压花辊加工中，应当不发生材料的融化和软化，尽管在现有技术的激光系统中观察到整体和局部发热的大规模增加。

的确，现今已公知大量面市的激光系统，它们有可能实现所期望的钢辊表面结构，但是仅仅在它们配备了考虑本发明的参数设计的适宜的光束控制时，才能实现这种可能性。

发明内容

因此，总而言之，尽管有可能通过机械装置产生尖端到尖端间隔小至0.1mm的非常精细的辊齿和明显徽标，并且已经公知有用于产生非常精细光栅结构的激光系统，但是更快地甚至更精确地在压花钢辊上产生带有宏观结构的更精细表面，从而允许设计的可能性更多样化，如可变的辊齿间隔和形状，以及公母辊的工业制造以及对最多样化的箔材料的灵活多样的应用，这样的需求在增长，因此它是本发明的目的。

通过如上所述的方法和设备实现这个目的，其中实施了用于在特定条件下适当控制消融处理的具体参数。

附图说明

后文将参考示范实施例的略图更详细地讲解本发明，其中

图1显示了用于连续雕刻的本发明激光系统的第一个示范实施例；

图2显示了用于逐块雕刻的本发明激光系统的第二个示范实施例；

图3显示了激光脉冲串的示意性展示。

具体实施方式

所描述方法的一个基本新颖性在于为现代材料提供雕刻维度超过20μm，也更确切地说超过70μm，而雕刻深度达400μm的宏观维度表面结构的可能性，而对于常规的激光加工方法则不可能实现。在宏观技术中，也很需要能够在非均匀高合金铁基材料的表面产生结构，在有关表面结构的制造技术中这变得日益重要。这些材料的非均匀结构组成对于所要求的辊表面的特殊性质是必不可少的。

不过，这些不同的结构相具有非常不同的物理性质，导致激光加工期间局部宏观行为的对应差异。所以，到目前为止，这些材料还不能如要求地那样经济上合算地以激光形成宏观结构。利用以下公开的新颖方法，这样的材料现在也能够形成宏观结构。新颖方法可以与形成微观结构的工艺结合，所以即使在这些复杂的非均匀材料上也能够产生最高分辨率的结构，代表了材料技术领域中的突破。

使用短脉冲激光加工用于平版印刷或其他旋转印刷模具的印刷筒本身已经公知了一段时间。利用例如现今公知的脉冲宽度范围为30ns及以上的YAG:Nd激光的热消融激光加工技术，允许在深度大约为100μm在大于大约70μm的维度上雕刻钢表面，但是无法可靠而快速地产生精细浮雕结构，因为消融深度难以控制并且其他效应影响着可获得的表面质量。

为了产生具有不同结构的压花辊，有利的是利用不同的激光设备将其定形，使得能够使用不同的焦点尺寸和不同的功率以不同分辨率用微观结构补充宏观结构。

对于随后的微观结构形成工艺，现今可用的短脉冲激光以700nm至2100nm的波长操作，从而允许1μm以下的对应雕刻分辨率。通过激光辐射的倍频，甚至更高的分辨率也是可能的。正如可能的情况，更精细结构的重叠会允许直接在压花辊上产生全息图随后转印到箔上。在这种情况下，为已经形成宏观结构的辊提供如ta-C的涂层可能有利。

图1示意地展示了意在连续雕刻＝形成宏观结构的第一个激光系统L1。L1包括激光1，被连接到控制激光1的控制电路2和偏转单元3，偏转单元3可以包括分光镜以及声光或电光调制器或多角镜。偏转单元3、聚焦光学器件5和偏转镜6形成可在X轴上直线位移的雕刻单元4，正如由X箭头符号地指明。作为替代，整个激光设备L1可以在X轴上可位移。

控制电路2连接到位置检测器7，用于检测和估算旋转工件8的数据，在这种情况下是压花辊钢坯。工件由驱动器9驱动。通过雕刻单元的直线位移和辊的旋转的结合，产生了允许统一加工的不变螺旋线SL。

偏转单元可以如包括一个或多个分光镜以及电光或声光调制器或者一个或多个多角镜，应用偏转单元允许把初始激光束分裂为两束或多束激光，同时撞击到两条或多条轨道上，但是相互距离使其不干扰。此外，各个脉冲的撞击之间的时间间隔可以选择为大到足以避免热过载。

图2显示的激光系统用于工件的逐块加工，同样允许以适当选择的参数形成所期望的宏观结构。激光系统2包括激光设备10，被连接到控制电路11，控制电路11又被连接到旋转驱动器12。

激光束LA通过掩模和隔膜组合13到达偏转镜14并随后经由与上述组件一起形成雕刻单元19的聚焦光学器件15撞击到工件16上。工件在这里被描述为具有辊齿17和徽标间隙18的宏观结构的压花辊。在这个实施例变种中，工件在三个坐标方向上可位移并且利用旋转驱动器12可旋转。对于某些应用，这种原理也可以用在根据图1的加工操作中。两种位移方法的组合也是可能的。

通过应用其激光脉冲包括在10飞秒与100皮秒之间的短脉冲激光，在非常短的时段内施加能量，使得所谓的“冷消融”变得可能，其中材料非常快地蒸发而邻近材料没有不可接受的受热。从而能够几乎完全避免该材料的产生焊口边缘和斑点的不合意液体状态。所以，这样的激光也能够成功地用于根据图2的所谓的逐块加工。

正如已经指出，本发明的目的是生产压花钢辊，或者母结构与公结构相关联的公母结构；或者折叠或打孔工具等，确切地说，所述压花钢辊具有非常大量的小辊齿以及没有辊齿或有修改的辊齿的区域，其中辊齿形(如带有正方形或长方形水平投影的锥体，或截头圆锥体)以及辊齿高度和间距(即辊齿的间隔)两者都可以变化。

为上述结构在经济上合理地对高性能ps系统进行工业使用直到现在才成为可能。确切地说，与生产印刷模具对照，无法找到加工所需件数的钢辊的解决方案。这种材料的颗粒度和组分混合的不均匀性阻止了这种企图。

进行了旨在以小的粗糙度系数使钢具有深度达400μm的结构的广泛研究，在此研究期间，出现的不同问题也使得对预期的宏观压花进行应用变得不可能，此外还存在以上介绍的宏观加工中的问题。具体地说，由于结构差异和其他的材料依赖性，激光加工后导致了很难消除的凸起和孔洞。

同样发现按脉冲计算的理论消融体积和重复频率严重地偏离实际消融速率。结果，对于设想将短脉冲技术工业应用于钢，不存在技术上可利用的参数和关系。

在持续的测试后，发现下面的参数组合能够使本领域的技术人员以精细压花技术所需要的再现精度和质量实现对钢辊的雕刻。在这种背景下，在这些短脉冲激光当中，在具有从10fs至100ps范围脉冲持续时间的飞秒(fs)激光与皮秒(ps)激光之间能够进行区别。

除了由激光类型确定的预定的脉冲持续时间之外，大量参数也与预期的工业应用相关，尤其是但是不限于钢雕刻。

对于单个脉冲模式的激光，这些包括：

a)能流，

b)波长，

c)重复率，

d)在工件上的脉冲到脉冲间隔，

e)激光束成像平面的各自激光束聚焦平面相对于基底表面的位置，

f)偏转速度。

直到最近，可用的光束引导系统还不能够以要求的质量和加工时间，把激光功率引导到被雕刻的表面上，因为在保持所要求的加工工艺的精度时，无法达到超过100m/s的所需偏转速度。对于如100μm的结构宽度，高斯束半径不应当超过15μm，它额外要求非常好地掌握由要在该基底上产生的结构的精细度来界定的激光束定位精度。

在进一步的研究中发现，使用不同的脉冲序列时本质上能够改进利用单个脉冲的对压花辊的期望的加工。因此，对于选定的ps激光类型开发的具体操作模式，技术文献中的脉冲串模式，在钢雕刻中产生了好的结果。在该脉冲串模式下，与以上介绍的以预定重复率的ps激光的单个脉冲操作相反，以这些单个脉冲串的几十纳秒范围内(典型情况下20nm)的脉冲到脉冲时间间隔，以及10^-3至10^-7秒范围内(典型情况下是10μs)的脉冲串到脉冲串时间间隔，即以1kHz到10MHz的激光脉冲串重复频率或重复率，产生ps激光束脉冲串而不是ps激光束脉冲，见图3。

图3显示了脉冲串实例的鲜明的示意展示，其中x轴是时间轴而脉冲能量绘制在y轴上。

以脉冲串模式的ps激光的最大可能重复率取决并受限于脉冲串中单个脉冲的数量。ps激光的这些单个脉冲的脉冲持续时间和以脉冲串模式的这些脉冲的脉冲持续时间是相当的。

脉冲串可以包括可调整数量的多达20个单个ps脉冲。以脉冲串形式的这些单个脉冲的脉冲能量可以按照对该激光装置为典型的函数呈指数地减小，而该脉冲串中这些单个脉冲的脉冲到脉冲时间间隔保持不变，即脉冲串中这些单个脉冲的脉冲能量的特征可以预定，所以有可能使得脉冲串中这些脉冲的脉冲能量不变，或者使得脉冲串中这些脉冲的脉冲能量减小或增大，或者作为替代，脉冲串中这些脉冲的脉冲能量首先减小然后再增大。

此外，脉冲串中的一个脉冲或多个脉冲可以是空白的，如在“Time-BandwidthProducts”公司的激光类型“Time-BandwidthDuetto^TM”和“Time-BandwidthFuego^TM”的“FlexBurst^TM-Mode”中。在ps激光的脉冲串模式操作中，激光辐射的频率加倍或频率三倍或进一步的频率翻倍，SHG或THG也是可能的。

因此，对于脉冲串模式中的激光，以下参数适用：

g)脉冲串中单个脉冲的数量，

h)脉冲串中单个脉冲的脉冲持续时间，

i)脉冲串中单个脉冲的脉冲时间间隔，

j)在工件上的平均脉冲串能流，

k)在工件上的光束聚焦半径，以及

l)在单个脉冲上的脉冲串能流的分布。

以脉冲串模式的ps激光的操作中可能的加工参数和结果是，例如：

在结构深度为60μm到200μm，产生的结构的底部粗糙度从450nm到1000nm。

与利用单个脉冲的ps激光加工相比，脉冲串模式加工的优点是：

与利用具有与总脉冲串能量相同能量的单个脉冲的ps辐射相比，即这些单个脉冲与脉冲串的能流相等，并且这些单个脉冲与脉冲串的脉冲到脉冲间隔和重叠相同，即这些单个脉冲的重复率与脉冲串的重复率相同，金属材料形成结构时具有更高的消融速率。

与具有相同重叠的单个脉冲的ps脉冲辐射相比，而且在脉冲串的更高能流，具有更高的质量，尤其是产生的结构形状的表面粗糙度更低。

在脉冲串模式中，更高的脉冲串总能量，即脉冲串的更高能流在形成结构工艺中能够被施加到工件的表面。由于脉冲串中脉冲的数量，所以脉冲串中这些单个脉冲的脉冲能量相应地低于具有与脉冲串总能量相同脉冲能量的这些单个脉冲的情况，脉冲串中这些单个脉冲的能流本质上也低于这些单个脉冲的能流；在脉冲串模式中，加工从而以“低能流状态”进行，即本质上不高于消融阈值，并且获得了所产生结构形状的更高质量，正如可以被演示。以这些单个脉冲形成结构时，无法以这种方式使用高脉冲能量，因为加工可能已经以“高能流状态”发生，即远高于消融阈值，所以产生的结构的质量会更低。

以上指出的参数可以如采用以下值。对于单个脉冲操作，这些是：

a)能流：

fs激光：对于以飞秒脉冲的加工，建议0.5J/cm²到3.5J/cm²的

能流范围。更高能流的试验未发现令人满意。

ps激光：试验中发现高能流不适于以皮秒脉冲的加工。可适用的能流范围应当处于略微高于消融阈值。试验了0.5J/cm²到10J/cm²的能流，并且发现从0.5J/cm²到3J/cm²的范围产出的加工结果最好。

b)波长：

使用了三个不同的波长，也就是775nm、1030nm和1064nm，并且在1064nm执行了频率加倍，导致波长减半至532nm。已经发现由于不同的吸收系数，波长影响了结果。由于吸收系数低，更长的波长似乎不适于加工。因此，532nm至1064nm范围最终用于预期的加工。

c)重复率：

以高至1MHz的脉冲重复频率实施了试验。发现高至这个频率可获得好的结果。不过，在更高的脉冲重复频率结果稍微恶化。避免这些高频并仍然实现高产量的一种方式是光束分裂。因此，例如，400W的短脉冲激光已面市，其光束被分裂为8个部分光束用于同时加工。以这种方式，重复率保持在大约1MHz。建议重复率为1kHz到10MHz。

d)工件上脉冲到脉冲的间隔

已经发现通过连续脉冲的更大重叠降低了消融速率。这是由于后面的脉冲被在前脉冲屏蔽的事实。所以，应当选择工件上脉冲到脉冲的大间隔。

ps激光：建议的加工范围：对于小的脉冲加工密度，光束直径的40％-50％作为工件上的脉冲到脉冲间隔。在更高密度，应当设想10％-25％范围内的更小重叠。

fs激光：光束直径的10％-50％的工件上脉冲到脉冲间隔。

e)激光束聚焦平面相对于基底表面的位置：

在全部试验中，聚焦被置于工件的表面。不建议把聚焦放置在工件以上。所以建议把聚焦置于工件表面上或稍微低于工件表面。

f)高至100m/s和以上的偏转速度经过试验并发现适用。

光束直径：

在试验中，使用了不同的光束直径。这个参数对加工操作影响不大。

脉冲宽度：

所用的脉冲宽度是150fs、178fs和12ps。全部脉冲宽度都适于加工。脉冲宽度有可能进一步增大以获得甚至更高的消融速率同时保持好的质量。更小的脉冲宽度产生更好的质量但是与更低的消融速率相关联。结果，对于预期的加工，建议脉冲宽度的范围为150fs至12ps。

此外，对于以脉冲串模式的加工，发现了以下典型的但不是限制性的值：

h)脉冲串中这些单个脉冲的脉冲持续时间为5ps至15ps，

i)脉冲串中这些单个脉冲的脉冲时间间隔为10ns至30ns，

j)工件上的平均脉冲串能流在0.5J/cm²到70J/cm²，

k)工件上的光束聚焦半径为10μm到50μm，脉冲串中这些单个脉冲的脉冲能量的特征逐渐地降低、增加或以预确定方式调整。

b)至g)的值同样适用于模拟脉冲操作，除非它们明确地偏离。

Claims (8)

1.一种利用短脉冲激光在压花钢辊上产生具有结构的表面的方法，所述结构为宏观结构，该宏观结构的维度超过20μm而深度达200μm和比200μm更多的深度，由以下参数组合产生：

a)能流在0.5J/cm²到70J/cm²范围内，

b)波长为532nm至1064nm，

c)重复率为1kHz到10MHz，

d)工件上的脉冲到脉冲间隔，对于飞秒激光为光束直径的10％-50％，对于皮秒激光用于高密度，为光束直径的10-25％，对于皮秒激光用于低密度，为光束直径的40-50％，

e)激光束聚焦平面的位置在工件表面上或稍微低于工件表面，和

f)激光束的偏转速度达100m/s和比100m/s更高的偏转速度。

2.根据权利要求1所述的在压花钢辊上产生具有结构的表面的方法，其特征在于，通过使激光束在所述工件表面上的撞击点同时在X轴上和在圆周上位移，所述工件被连续加工。

3.根据权利要求2所述的在压花钢辊上产生具有结构的表面的方法，其特征在于，所述激光束在X轴上位移以及所述工件同时旋转。

4.根据权利要求1所述的在压花钢辊上产生具有结构的表面的方法，其特征在于，通过既在全部三个坐标方向上位移又旋转，所述工件被逐块加工。

5.根据权利要求1至4中任何一个所述的在压花钢辊上产生具有结构的表面的方法，其特征在于，利用以下附加参数所述皮秒激光被作为脉冲串模式的短脉冲激光操作：

g)所述脉冲串中单个脉冲的数量多达20，

h)所述脉冲串中单个脉冲的脉冲持续时间为5ps至15ps，

i)所述脉冲串中单个脉冲的脉冲时间间隔为10ns至30ns，

j)所述工件上的平均脉冲串能流在从0.5J/cm²到70J/cm² 之间，

k)所述工件上的光束聚焦半径为10μm到50μm，所述脉冲串中单个脉冲的脉冲能量的特征逐渐地变化或按照函数调整，以使得脉冲能量以如下方式之一变化或被调整：脉冲能量保持不变，脉冲能量增大，脉冲能量减小，脉冲能量首先减小然后再增大，脉冲能量按指数减小。

6.一种用于利用短脉冲激光在压花钢辊上产生具有结构的表面的设备，其特征在于，该设备包括具有飞秒或皮秒范围内的短脉冲激光(1、10)的激光设备(L1、L2)，使得

a)在单个脉冲操作中，能流在0.5J/cm²到3.5J/cm²范围内，以及在脉冲串模式中，平均脉冲串能流为每脉冲0.5J/cm²到70J/cm²，

b)波长为532nm至1064nm，

c)重复率为1kHz到10MHz，

d)并包括用于调节工件上的脉冲到脉冲间隔的装置，该脉冲到脉冲间隔对于飞秒激光为光束直径的10％-50％，对于皮秒激光为光束直径的10-25％和40-50％，

所述激光设备(L1、L2)包括用于宏观雕刻钢工件(8、16)的雕刻单元(4、19)，以及用于使激光束在所述工件表面上的撞击点同时在X轴上和在圆周上位移的控制单元(2、11)。

7.根据权利要求6所述的用于在压花钢辊上产生具有结构的表面的设备，其特征在于，所述雕刻单元(4)包括光束分裂和光束偏转单元(3)以及聚焦光学器件(5)，所述雕刻单元或整个激光设备(L1)在X轴上可位移以及所述工件被可旋转地支撑。

8.根据权利要求6所述的用于在压花钢辊上产生具有结构的表面的设备，其特征在于，所述雕刻单元(19)包括成像单元(15)，以及所述工件(16)既可旋转又在三个坐标轴上可位移地被支撑。