DE102004027622A1 - Laserstrahlmarkierverfahren, Laserstrahlmarkiervorrichtung und Verwendung einer Laserstrahlmarkiervorrichtung - Google Patents
Laserstrahlmarkierverfahren, Laserstrahlmarkiervorrichtung und Verwendung einer Laserstrahlmarkiervorrichtung Download PDFInfo
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Abstract
Laserstrahlmarkierverfahren zur Markierung von Oberflächen von Polymermaterialien mit erzeugtem Laserlicht, das entsprechend der zu markierenden Abbildung abgelenkt und auf ein Objekt aus Polymermaterial gerichtet wird, wobei das Objekt in fortlaufender Weise mit Abbildungen versehen wird, wobei folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: Vorschieben des Objektes aus Polymermaterial, wobei die Vorschubgeschwindigkeit 1 bis 50 m/min beträgt, und Klemmen des Objektes und Einstrahlen von gepulstem Laserlicht mit einer Impulsdauer von 1 bis 10 mus und einer Pulsfrequenz von 2000 bis 20000 Hz auf die Oberfläche des Objektes, wobei die Pulsenergie des Laserlichtes 30 bis 40 mJ beträgt und der wirksame fokussierte Laserstrahldurchmesser im Bereich von 0,3 bis 1 mm liegt, wobei eine Markierung mit einem Kontrast zwischen markierter und unmarkierter Oberfläche erzeugt wird, und Abtrennen markierter Abschnitte zumindest abschnittsweise und Entklemmen des Objektes und Zuführung des markierten Abschnittes zu einem Fertigwarenspeicher. Eine erfindungsgemäße Laserstrahlmarkiervorrichtung und deren Verwendung werden angegeben.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Laserstrahlmarkierverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Laserstrahlmarkiervorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der ein Laserstrahlmarkierverfahren angewandt wird und eine Verwendung einer derartigen Laserstrahlmarkiervorrichtung nach Anspruch 11.
- Laserstrahlmarkierverfahren sind durch offenkundige Vorbenutzung bekannt. Das Kontrastverhältnis zwischen der erzeugten Markierung und deren Umgebung lässt bei diesen bekannten Verfahren oft zu wünschen übrig. Um ein ausreichendes Kontrastverhältnis zu erzielen, kann oft nur mit sehr geringen Prozess- und Fertigungsgeschwindigkeiten gearbeitet werden.
- Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laserstrahlmarkierverfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass ein gegebenes – möglichst hohes – Kontrastverhältnis mit einer höheren Prozess- und Fertigungsgeschwindigkeit erreicht werden kann.
- Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Laserstrahlmarkierverfahren mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Anspruches 1.
- Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch eine Kombination von Verfahrensparametern zur Laserstrahlmarkierung von polymeren Objekten eine hohe Prozess- und Fertigungsgeschwindigkeit bei der Herstellung solcherart markierter Objekte möglich ist, die gleichzeitig einhergeht mit einem hohen Kontrast der auf der Polymermaterialoberfläche erzeugten Markierung.
- Die Kombination der einzelnen Prozessschritte erweist sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als überaus günstig.
- Im Einzelnen ist der Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Laserstrahlmarkierverfahrens wie folgt:
Das zu markierende Objekt wird eine bestimmte Weglänge, die vorgegeben wird und von verschiedenen Parametern abhängig ist, wie beispielsweise Größe der zu markierenden Abbildung, Ort der aufzubringenden Markierung auf dem Objekt, Rapport bei wiederkehrenden Abbildungen, etc., vorgeschoben. Hierzu werden bekannte Mittel eingesetzt, ein Objekt zu bewegen, wobei die Bewegung bestimmt wird in ihren Parametern hins. beispielsweise Geschwindigkeit, Positioniergenauigkeit, etc. - Die Vorschubgeschwindigkeit beträgt hierbei erfindungsgemäß 1 bis 50 m/min. Hat das Objekt den vorbestimmten Ort erreicht, wird das Objekt geklemmt, so dass es an dem vorgegebenen Ort verharrt, ohne dass es zu einer Relativbewegung des Objektes zu anderen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung kommt.
- Zum Klemmen werden bekannte, dem Stand der Technik entsprechende Mittel eingesetzt, dies umfasst beispielsweise Niederhalter, Klemmen, Bänder, etc.
- Wenn die Fixierung des Objektes durch Klemmen erfolgt ist, wird die Laserstrahlmarkierung gestartet. Hierzu wird gepulstes Laserlicht eingesetzt, das eine Impulsdauer von 1 bis 10 μs und eine Impulsfrequenz von 2000 bis 20000 Hz aufweist.
- Das Laserlicht wird auf die zu markierende Oberfläche des Objektes aus Polymermaterial gerichtet und erzeugt dort die Markierung.
- Hierbei beträgt die Pulsenergie des Laserlichts 30 bis 40 mJ.
- Der wirksame Durchmesser des fokussierten Laserstrahls liegt im Bereich von 0.3 bis 1.0 mm.
- Hierdurch wird eine Markierung auf der Oberfläche des polymeren Objektes erzeugt, die ein hohes Kontrastverhältnis aufweist.
- Nach der Laserstrahlmarkierung erfolgt ein Abtrennen des markierten Abschnittes, wobei diese Abtrennung zumindest abschnittsweise erfolgt. Hierbei wird der markierte Abschnitt vom Objekt beispielsweise durch einen trennenden Verfahrensschritt zumindest teilweise gelöst.
- Trennende Verfahren können beispielsweise Schneiden, Stanzen, Hacken, Spalten, Reißen, Laserstrahlschneiden, Wasserstrahlschneiden, etc. umfassen, es sind aber auch andere Verfahren zur Trennung möglich.
- Es kann auch eine vollständige Abtrennung des markierten Abschnitts vom Objekt vorgenommen werden, so dass vereinzelte markierte Abschnitte herstellbar sind.
- Vorteilhaft ist, die markierten Abschnitte unvollständig vom Objekt zu trennen, um dadurch einen Materialverbund mit dem Objekt zu gewährleisten, was fertigungstechnische Vorteile aufweist. So kann beispielsweise eine einfachere Handhabung der damit hergestellten markierten Objekte aus Polymermaterial stattfinden.
- Als letzter Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Laserstrahlmarkierverfahrens wird das Objekt entklemmt und der markierte Abschnitt einem Fertigwarenspeicher zugeführt.
- Fertigwarenspeicher dienen zur Aufnahme der markierten Objekte und umfassen beispielsweise, das Objekt auf eine Rolle aufzuspulen, in ein Behältnis abzulegen, einem Magazin zuzuführen, auf eine Stange aufzuschieben, einer Fächeranordnung zuzuführen, in ein Konturschale einzusortieren oder in Beutel zu verpacken. Auch andere Ausführungen von Fertigwarenspeichern sind möglich.
- Dieser Verfahrensablauf kann beliebig wiederholt werden, so dass fortlaufend Objekte aus Polymermaterial mit gleichen und/oder verschiedenen Markierungen versehen werden.
- Der Verfahrensablauf gestattet es, dass die Fertigung solcher markierter Objekte mit hoher Prozess- und Fertigungsgeschwindigkeit vonstatten geht.
- Mittels Laserstrahlmarkierung hergestellte Objekte sind so kostengünstig zugänglich.
- Mittels des erfindungsgemäßen Laserstrahlmarkierverfahrens lassen sich eine Reihe von Polymermaterialien markieren.
- Diese umfassen Weich-Polyvinylchlorid (Weich-PVC), Hart-Polyvinylchlorid (Hart-PVC), Polycarbonat-Acrylnitril-Butadien-Styrol (PC/ABS), Polycarbonat (PC), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polypropylen (PP) und Polyethylen (PE), Polystyrol (PS), Polyetherimid (PEI) deren Copolymere und/oder Blends und Mischzusammensetzungen hiervon.
- Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Laserstrahlmarkierverfahren für die Markierung von Weich-Polyvinylchlorid (Weich-PVC).
- Das Laserstrahlmarkierverfahren ist geeignet zur Markierung eingefärbter Polymermaterialien nach Anspruch 3, wobei das gesamte Farbspektrum der Polymermaterialien markierbar ist.
- Zur Einfärbung der Polymermaterialien werden Farbmittel eingesetzt, die Titandioxid, Pigmente in Form beschichteter Glimmer oder anderer beschichteter blättchenförmiger Teilchen und andere dem Stand der Technik übliche Mittel, die zur Einfärbung von Polymeren herangezogen werden, umfassen. Auch werden Mischungen von Farbmitteln verwandt, um Polymere einzufärben.
- Diese Farbmittel können jeweils in Konzentrationen, die zwischen 0.01 und 3.0 Gewichtsprozent, bezogen auf 100 Gewichtsprozent Polymermaterial, betragen, eingesetzt werden.
- Besonders bevorzugt sind dabei Konzentrationen zwischen 0.01 und 2.0 Gewichtsprozent.
- So werden beispielsweise dem Weich-Polyvinylchlorid für eine gelbe Einfärbung 1.00 bis 1.50 Gewichtsprozent, vorzugsweise 1.20 Gewichtsprozent, für eine rote Einfärbung 0.15 bis 0.40 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0.28 Gewichtsprozent und für eine blaue Einfärbung 1.70 bis 2.30 Gewichtsprozent, vorzugsweise 2.00 Gewichtsprozent, zugegeben.
- Titandioxid wird bevorzugt mit einer Korngrößenverteilung von D 50 0.2 bis 2.0 Mikron eingesetzt.
- Das Titandioxid muss homogen in der Polymermatrix verteilt sein.
- Titandioxid-Modifikationen, wie beispielsweise Anatas und Rutil, unterstützen bei diesem erfindungsgemäßen Laserstrahlmarkierverfahren die Ausbildung einer kontrastreichen Markierung, indem sie die Carbonisierung der Polymermatrix unter dem Einfluss des eingestrahlten Laserlichtes fördern.
- Pigmente in Form beschichteter Glimmer oder anderer beschichteter blättchenförmiger Teilchen unterstützen ebenfalls den Prozess der Carbonisierung durch Absorption des Laserlichts und Umwandlung in Wärme.
- Die Polymermaterialien enthalten weiterhin partikelförmige Füllstoffe unterschiedlicher Geometrien, umfassend sphärolitische und/oder faserförmige und/oder blättchenförmige und/oder stäbchenförmige. Diese Füllstoffe enthalten beispielsweise Calcium, Aluminium. Eisen, Silicium, Sauerstoff, Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel in Form ihrer Ionen. Sie können ausgewählt sein beispielsweise für die Gruppe der faserförmigen Füllstoffe aus Asbest, Wollastonit, Glasfasern, Gesteinsfasern, Kohlenstofffasern, Fasern pflanzlichen und tierischen Ursprungs, für die Gruppe der blättchenförmigen Füllstoffe beispielsweise aus schichtbildenden Mineralien.
- Solche Füllstoffe werden in Konzentrationen von 0.01 bis zu 15.0 Gewichtsprozent, bezogen auf 100 Gewichtsprozent Polymer, eingesetzt. Besonders bevorzugt werden sie im Bereich von 0.01 bis 10 Gewichtsprozent verwandt.
- Calciumcarbonat wird beispielhaft mit einem mittleren Teilchendurchmesser von 0.75 μm eingesetzt, es ist homogen in der Polymermatrix zu verteilen.
- Die mittels des erfindungsgemäßen Laserstrahlmarkierverfahrens auf die Oberfläche von Polymeren aufgebrachten Markierungen können heller und/oder dunkler sein, als die unmarkierte Polymeroberfläche.
- Durch die vorgesehenen Füllstoffe oder durch Kombinationen der Füllstoffe lassen sich helle Markierungen auf dunklem Untergrund, dunkle Markierungen auf hellem Untergrund, aber auch alternierend helle und dunkle Markierungen auf dunklem und/oder hellem Untergrund erzeugen.
- Hierdurch lassen sich besonders gut erkennbare und insbesondere kontrastreiche Abbildungen auf Polymermaterialoberflächen erzeugen.
- Mittels des erfindungsgemäßen Laserstrahlmarkierverfahrens ist es somit möglich, in einem weiten Bereich verschiedene Polymermaterialien unterschiedlichster Einfärbung mit hohem Kontrast in schneller Prozess- und Fertigungsgeschwindigkeit zu markieren.
- Je nach Auswahl der Parameter, umfassend beim Laserlicht die Impulsdauer, Pulsfrequenz, Energiedichte und Strahldurchmesser können verschiedene Materialien, insbesondere Weich-Polyvinylchlorid, in verschiedene Abstufungen des Markierungskontrastes auf farbigen Polymermaterialien erreicht werden.
- In Versuchen zeigte sich an Rohren aus Polypropylen mit einer Füllung aus Bariumsulfat in Verbindung mit einer Füllung aus Titandioxid bei der Laserstrahlmarkierung, dass optisch hoch kontrastreiche Beschriftungen erzielt werden können.
- Die Beschriftungen erfahren insbesondere eine Modifikation in ihrem Kontrast, wenn beispielsweise der Titandioxid-Gehalt zum Bariumsulfat-Gehalt vorzugsweise in einem Verhältnis von 1 : 3 bis 1 : 10 geändert wird.
- Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laserstrahlmarkiervorrichtung zur Durchführung des Laserstrahlmarkierverfahrens anzugeben.
- Die Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Laserstrahlmarkiervorrichtung nach Anspruch 9.
- Die Vorteile des Laserstrahlmarkiervorrichtung entsprechen denjenigen, die oben in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Laserstrahlmarkierverfahren diskutiert wurden.
- Bei der Laserstrahlmarkiervorrichtung wird beispielhaft eine Nd:YAG-Laser als Laserlichtquelle eingesetzt.
- Dieser sendet Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1064 nm aus, das zur Markierung der Polymermaterialoberfläche genutzt wird.
- Es kann auch ein Excimer-Laser zur Laserstrahlmarkierung eingesetzt werden.
- Das Laserlicht kann bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Laserstrahlmarkierungsvorrichtung längs der zu markierenden Bahn abgelenkt werden und/oder über ein zu markierendes Feld abgerastert werden.
- Es ist mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, besonders effektiv Markierungen auf Oberflächen von Polymermaterialien zu erzeugen, hierbei werden insbesondere deutliche, scharte und sauber begrenzte Abbildungen erzeugt, die entlang ihrer Konturen einen hohen Kontrastunterschied aufweisen, der das Erkennen und Unterscheiden der aufgebrachten Markierungen leicht ermöglicht.
- Schließlich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Laserstrahlmarkiervorrichtung anzugeben.
- Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Verwendung nach Anspruch 11.
- Bei der Leiterkennzeichnung kommen die oben im Zusammenhang mit dem Laserstrahlmarkierverfahren und der Laserstrahlmarkiervorrichtung genannten Vorteile voll zum Tragen. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung erlauben jeweils eine einfache Anpassung an die Markiererfordernisse unterschiedlicher Leitermaterialien durch entsprechende Änderung der Verfahrensparameter.
- Folgende Ausführungsbeispiele verdeutlichen den Erfindungsgegenstand:
Bei der Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem zu markierenden Objekt aus Polymermaterial findet eine Carbonisierung der organischen Matrix des Polymermaterials statt. Dies erfolgt unter dem Einfluss des Titandioxids. - Diese Carbonisierung führt zu einer Schwarz- bzw. Dunkelfärbung der mit der Laserstrahlung abgefahrenen Bahn und/oder des abgerasterten Feldes auf dem zu markierenden Objekt. Je nach dem Polymermaterial, dessen Einfärbung und dem Gehalt an Titandioxid werden die Laser- und Fertigungsparameter des Laserstrahlmarkierverfahrens so eingestellt, dass die markierte Abbildung auf dem Objekt nach erfolgter Markierung mit möglichst hohem Kontrast sichtbar ist.
- Auch dunkel eingefärbte Polymermaterialien lassen sich markieren, indem die Kombination aus Parametern der Laserstrahlung und Vorschubgeschwindigkeit so gewählt wird, dass die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Polymermaterial des Objekts dazu führt, dass die Polymermatrix längs der abgefahrenen Bahn und/oder des abgerasterten Feldes der Laserstrahlung aufschäumt, wodurch die Markierung heller erscheint, als die diese umgebende nicht markierte Objektoberfläche.
- 1. Markierung einer Polymeroberfläche mit gelber Einfärbung
- Die Oberfläche eines Objektes, beispielsweise eines Schlauches aus Weich-Polyvinylchlorid, der in der Polymerrezeptur neben PVC, Weichmacher und üblichen Additiven zur Stabilisierung und der gelben Einfärbung, auch Titandioxid in einer Konzentration von 1.20 Gewichtsprozent enthält, wird mit dem erfindungsgemäßen Laserstrahlmarkierverfahren mit einer Abbildung versehen.
- Dazu werden folgende Parameter gewählt:
Laserstrahldurchmesser, mit dem markiert wird 0.3 mm Wellenlänge des eingesetzten Nd:YAG-Lasers 1064 nm Pulslänge 5 μs Pulsfrequenz 4000 Hz Vorschub des markierenden Laserstrahls 400 mm/s. - Es werden fortlaufend gekennzeichnete Abschnitte des Objektes erhalten, die sich durch einen hohen Kontrast zwischen Markierung und unmarkierter Polymeroberfläche auszeichnen.
- 2. Markierung einer Polymeroberfläche mit weißer Einfärbung
- In analoger Weise zum Beispiel 1. wird ein weißes eingefärbtes Objekt markiert. Der Gehalt an Titandioxid beträgt 2.0 Gewichtsprozent.
- Hierzu werden folgende Parameter verwandt:
Laserstrahldurchmesser, mit dem markiert wird 0.3 mm Wellenlänge des eingesetzten Nd:YAG-Lasers 1064 nm Pulslänge 5 μs Pulsfrequenz 3500 Hz Vorschub des markierenden Laserstrahls 350 mm/s. - Es werden fortlaufend gekennzeichnete Abschnitte des Objektes erhalten, die sich durch einen hohen Kontrast zwischen Markierung und unmarkierter Polymeroberfläche auszeichnen.
- Die Laserstrahlmarkiervorrichtung eignet sich insbesondere zur Beschriftung / Markierung von Leiterkennzeichnern.
- Auch andere Anwendungen sind möglich, wie beispielhaft die Kennzeichnung von Schläuchen, Rohren, Bändern, Formteilen, etc.
Claims (11)
- Laserstrahlmarkierverfahren zur Markierung von Oberflächen von Polymermaterialien mit erzeugtem Laserlicht, das entsprechend der zu markierenden Abbildung abgelenkt und auf ein Objekt aus Polymermaterial gerichtet wird, wobei das Objekt in fortlaufender Weise mit Abbildungen versehen wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: -a- Vorschieben des Objektes aus Polymermaterial, wobei die Vorschubgeschwindigkeit 1 bis 50 m/min beträgt, und -b- Klemmen des Objektes, und -c- Einstrahlen von gepulstem Laserlicht mit einer Impulsdauer von 1 bis 10 μs und einer Pulsfrequenz von 2000 Hz bis 20000 Hz auf die Oberfläche des Objektes, wobei die Pulsenergie des Laserlichtes 30 bis 40 mJ beträgt, und der wirksame fokussierte Laserstrahldurchmesser im Bereich von 0.3 bis 1 mm liegt, wobei eine Markierung mit einem Kontrast zwischen markierter und unmarkierter Oberfläche erzeugt wird, und -d- Abtrennen markierter Abschnitte zumindest abschnittsweise, und -e- Entklemmen des Objektes und Zuführen des markierten Abschnitts zu einem Fertigwarenspeicher.
- Laserstrahlmarkierverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Polymermaterialien, umfassend Weich-Polyvinylchlorid (Weich-PVC) Hart-Polyvinylchlorid (Hart-PVC) Polycarbonat/Acrylnitril-Butadien-Styrol (PC/ABS) Polycarbonat (PC) Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) Polypropylen und Polyethylen (PP, PE) Polystyrol (PS) Polyetherimid (PEI) deren Copolymere und/oder Blends und Mischzusammensetzungen hiervon, markiert werden.
- Laserstrahlmarkierverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eingefärbte Polymermaterialien markiert werden.
- Laserstrahlmarkierverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einfärben der Polymermaterialien Farbmittel, umfassend Titandioxid und/oder Beschichtete Glimmerpigmente und/oder dem Stand der Technik übliche Mittel zur Polymereinfärbung und Mischungen hiervon, eingesetzt werden.
- Laserstrahlmarkierverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Farbmittel jeweils in einer Konzentration von 0.01 bis 3.0 Gewichtsprozent, bezogen auf 100 Gewichtsprozent Polymer, eingesetzt werden.
- Laserstrahlmarkierverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial partikelförmige Füllstoffe, umfassend sphärolitische und/oder faserförmige und/oder blättchenförmige und/oder stäbchenförmige Geometrien, enthält, und Mischungen hiervon.
- Laserstrahlmarkierverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Füllstoffe in einer Konzentration von 0.01 bis 15.0 Gewichtsprozent, bezogen auf 100 Gewichtsprozent Polymer, eingesetzt werden.
- Laserstrahlmarkierverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial mit einer Markierung versehen wird, die heller und/oder dunkler ist, als die unmarkierte Polymeroberfläche.
- Laserstrahlmarkiervorrichtung zur Durchführung des Laserstrahlmarkierverfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm eingesetzt wird oder ein Excimer-Laser.
- Laserstrahlmarkiervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht längs der zu markierenden Bahn abgelenkt wird und/oder das Laserlicht über ein zu markierendes Feld abgerastert wird.
- Verwendung der Laserstrahlmarkiervorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10 zur Kennzeichnung polymerer Formteile.
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