DE102007008668A1

DE102007008668A1 - Verfahren zum Beschriften oder Markieren von Oberflächen

Info

Publication number: DE102007008668A1
Application number: DE102007008668A
Authority: DE
Inventors: Arne Koops; Sven Reiter; Norio Arai
Original assignee: Tesa SE
Current assignee: Tesa SE
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2008-08-21
Also published as: JP2010519050A; WO2008101790A1; EP2125382B1; EP2125382A1; US8609202B2; US20100104737A1

Abstract

Verfahren zur Beschriftung oder Markierung von Oberflächen (1), wie insbesondere von Metalloberflächen, wobei die zu beschriftende oder zu markierende Oberfläche (1) in einem ersten Schritt mit einem Absorptionspromoter (2) beschichtet wird und anschließend an zu beschriftenden oder zu färbenden Oberflächenelementen ein energiereicher Strahl (4), wie beispielsweise ein Laserstrahl, appliziert wird, welcher durch die Wechselwirkung mit dem Absorptionspromoter die Oberfläche (1) über eine Temperaturerhöhung verfärbt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschriften oder Markieren von Oberflächen, insbesondere von Oberflächen von Metallen.
Bei Metallen sind verschiedene Beschriftungsverfahren bekannt. Beispielsweise kann eine Beschriftung mittels Materialauftrag, wie mit Farbe, oder auch mit einem Materialabtrag, wie bei einer Gravur, erfolgen.
Auch kann eine sogenannte Anlassbeschriftung oder auch eine Anlaufbeschriftung vorgenommen werden. Dies bedeutet, dass das Metall an seiner Oberfläche durch eine gezielte Temperaturveränderung seine Farbe bereichsweise verändert. Bei Metallen, die bis zu einer vorgebbaren Temperatur erhitzt werden, erhält die Oberfläche durch Oxidationsprozesse auf der Oberfläche eine farbige Erscheinung und somit eine farbige Färbung, Markierung oder Beschriftung. Dabei kann die Dicke der Oxidationsschicht beeinflusst werden, da die Diffusion der Sauerstoffatome abhängig ist von der Anlasstemperatur und/oder der Anlassdauer.
Beispielsweise zeigen unterschiedliche Oxidschichten an der Oberfläche eine irisierende bunte Färbung der Oberfläche. Dieser Farbeffekt wird bei Edelstahl nach dem Stand der Technik eingesetzt, da bei ca. 500°C eine dunkel graue bis schwarze Anlassfarbe entsteht.
Um nun eine Beschriftung vorzunehmen, werden zur Erzeugung einer Anlassbeschriftung Laser eingesetzt. Dabei entsteht bei der Anwendung des Laserlichts auf der direkten Oberfläche des Metalls ein nachteiliger Oberflächeneffekt, weil das Laserlicht direkt auf der Oberfläche eingekoppelt wird und dadurch in der Wärmeeinflusszone Grate, Furchen, Schmelzvorgänge und metallurgische Gefügeveränderungen entstehen. Eine Oberflächenschicht wird dadurch aufgeraut und/oder in ihrem Gefüge verändert, so dass beispielsweise auch Materialschwächungen auftreten können. Dies kann insbesondere bei besonderen Anwendungsgebieten nachteilig sein, wie beispielsweise in der Medizintechnik oder auch in anderen Anwendungsgebieten, bei welchen besonders glatte oder reine beschriftete Oberflächen erwünscht sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Beschriftung oder Markierung von Oberflächen von Metallen zu schaffen, bei welchem die Nachteile des Standes der Technik gemindert oder vermieden werden und eine möglichst glatte beschriftete oder markierte Oberfläche erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht mit den Merkmalen von Anspruch 1. Danach wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zur Beschriftung oder Markierung von Oberflächen, wie insbesondere von Metalloberflächen, wobei die zu beschriftende oder zu markierende Oberfläche in einem ersten Schritt mit einem Absorptionspromoter beschichtet wird und anschließend an zu beschriftenden oder zu markierenden Oberflächenelementen ein energiereicher Strahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl, appliziert wird, welcher die Oberfläche über eine Verfärbung verursachende Temperatur erhöht.
Bevorzugt erfolgt vor dem Aufbringen des Absorptionspromoters eine Reinigung der Oberfläche.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, wenn nach dem Applizieren des energiereichen Strahls die Oberfläche von Rückständen und/oder nicht weiter benötigtem Absorptionspromoter gereinigt wird.
Es ist erfindungsgemäß besonders bevorzugt, wenn der Absorptionspromoter als Lack oder als aufklebbares oder haftendes Folienelement aufbringbar ist.
Weiterhin ist bevorzugt, dass zwischen dem Absorptionspromoter und der Oberfläche eine Zwischenschicht aufweist. Diese Zwischenschicht besitzt vorteilhaft eine Dicke d im Bereich von 25 bis 100 μm auf.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Absorptionspromoter im Wesentlichen nur auf später zu beschriftende oder zu markierende Oberflächenbereiche aufgebracht wird.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels kann der Absorptionspromoter auch großflächig aufgebracht werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer zu beschriftenden oder zu markierenden Oberfläche;
2 ein Diagramm; und
3 ein Blockschaltbild zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 1 zeigt schematisch eine Metalloberfläche, die beschriftete oder markiert werden soll. Dazu wird auf der Metalloberfläche eine Schicht 2 aufgebracht, wobei die Schicht aus einem sogenannten Absorptionspromoter besteht. Vorteilhaft weist die Schicht einen Abstand d zu der Metalloberfläche auf. Bei Einstrahlung von energiereicher Strahlung, wie Laserstrahlung 4, beispielsweise als Laserpuls, wird das die Strahlung bzw. das Laserlicht nicht direkt in Kontakt bzw. in Wechselwirkung mit der Metalloberfläche gebracht, sondern durch das Auftreffen des Laserlichts auf die Schicht des Absorptionspromoters 2 wird das Laserlicht in Wärme umgewandelt, welche sich auf die Metalloberfläche 1 auswirkt. Dabei wird der Absorptionspromoter durch Absorption des Laserlichts lokal in ein Plasma 3, auch Plasmawolke genannt, überführt, wobei das Plasma 3 die Wärme an das benachbarte Metall abgibt und dort lokal eine Erwärmung bis zur Anlasstemperatur bewirkt. Der Abstand d zwischen dem Absorptionspromoter und der Metalloberfläche dient der besseren Ausbreitung des Plasmas bzw. der Plasmawolke. Vorteilhaft wird dieser Abstand durch eine Folie o. a. erzeugt. Der Abstand ist vorteilhaft im Bereich von 25–100 μm. Der vorteilhafte Abstand kann jedoch mit der verwendeten Strahlquelle und beispielsweise mit deren Leistung variieren. Der Abstand wird vorteilhaft durch eine Zwischenschicht 7 erreicht. Vorteilhaft wird die Zwischenschicht zusammen mit dem Absorptionspromoter aufgebracht, wobei die Zwischenschicht auch durch Distanzhalter erzeugt werden kann.
Dabei wird vorteilhaft bewirkt, dass der Laserpuls 4 mit seiner hohen Energiedichte pro Flächeneinheit auf der Metalloberfläche keine zu hohen Temperaturen erzeugt und somit keine lokale Schädigungen verursacht. Die entstehende hohe Temperatur T_Laser entsteht somit nicht auf der Oberfläche des zu beschriftenden oder zu markierenden Metalls sondern an der Oberfläche des Absorptionspromoters 2. Durch die hohe Temperatur des Licht absorbierenden Materials wird der Absorptionspromoter in ein Plasma überführt. Dies erfolgt vorzugsweise relativ lokal, so dass eine gezielte Beschriftung durchgeführt werden kann. Das Plasma wird auf eine Temperatur T_Plasma gebracht bzw. mit dieser Temperatur erzeugt. Vorteilhaft liegt die Plasmatemperatur T_Plasma unter der Temperatur T_Laser, die beim Auftreffen der Laserstrahlung auf der Metalloberfläche entstehen würde. Weiterhin liegt die Plasmatemperatur vorteilhaft im Temperaturbereich der Anlasstemperatur, so dass gilt T_Plasma = T_Anlass oder T_Plasma ≈ T_Anlass.
Dadurch ist gewährleistet, dass die Temperatur T_Laser von der Metalloberfläche fern gehalten wird, weil sie in der Regel größer ist als die Schmelztemperatur T_Schmelz des Metalls, die wiederum größer ist als die Anlasstemperatur T_Anlass.
Durch die Ausbildung des Plasmas 3 findet auf der Oberfläche des Metalls 5 ein Oxidationsprozess 6 statt, der sehr kontrolliert stattfindet, weil die Temperatur des Plasmas über das Plasma ausbildende Material des Absorptionspromoters gewählt werden kann. Durch die gezielte Oxidation auf der Oberfläche des Metalls wird die Färbung der Oberfläche somit gezielt durchgeführt.
2 zeigt ein Diagramm 50, in welchem auf der x-Achse eine Zeitdauer aufgetragen ist. Die Kurve 51 stellt dabei einen Puls eines Lasers, einen Laserpuls, dar. Während der Pulsdauer findet eine Absorption 52 des Laserpulses im Material, eine Verdampfung 53 des Oberflächenmaterials und eine Ionisation 54 des Materials statt. Diese drei Vorgänge finden vorteilhaft innerhalb der Dauer des Laserpulses von beispielsweise etwa 10 ns statt.
Bei der Laserdirektbeschriftung nach dem Stand der Technik trifft der Laserstrahl direkt auf die Metalloberfläche und der überwiegende Teil der einfallenden Strahlung wird dabei von der Metalloberfläche absorbiert. Dies führt zu einer starken Erwärmung der Oberfläche, wodurch Effekte wie Verdampfungen, Schmelzen und Erhitzen des Materials entstehen. Typischer Weise liegt im Fokus des Laserstrahls eine hohe Spitzenleistung vor, die im Regelfall ein Erhitzen bis weit über die Anlasstemperatur bewirkt. Aufgrund unterschiedlicher Moden (Energiebereiche) im Fokus beispielsweise eines Nd:YAG-Lasers, kann daher nicht nur eine resultierende Temperatur über die Fläche der Bestrahlung erzeugt werden. Es kommt daher zu einer starken unvermeidbaren Erwärmung der Metalloberfläche.
Die Materialverdampfung mittels eines Lasers ist bekannt und wird als LTF (Lasertransferverfahren) oder als PLD (Pulsed Lasers Deposition) bezeichnet. Bei beiden Verfahren kommt es zu einer Abscheidung des verdampften Materials auf dem Zielsubstrat. Es kommt zu einer chemisch-physikalischen Bindung des verdampften Materials.
Im Falle der erfindungsgemäßen Beschichtung der Metalloberfläche mit einem Absorptionspromoter wird vorteilhaft kein Material dauerhaft auf der Metalloberfläche abgeschieden, sondern das verdampfte Material erwärmt die Oberfläche des Zielsubstrats kontrolliert auf die Anlasstemperatur. Der Absorptionspromoter ermöglicht die schnelle Verdampfung und das gebildete „Gas" absorbiert innerhalb des Laserpulses weiterhin Energie. Der gasförmige Zustand der Ionen und Atomen wird somit in ein Plasma überführt. Betrachtet man einen Laserpuls von 10 ns Zeitdauer, siehe 2, erfolgen die Vorgänge Absorption, Verdampfung und Ionisation innerhalb dieser Pulslänge bzw. Pulsdauer. Danach breitet sich die Plasmawolke räumlich aus, was im Hinblick auf die Pulslänge jedoch eher langsam erfolgt. Die Ionen rekombinieren danach wieder mit Elektronen und bilden wieder neutrale Teilchen, wobei es auch zur Bildung von größeren Verbänden, wie beispielsweise Clustern, Nanopartikeln oder ähnlichem kommt. Bei der Rekombination und Partikelbildung kommt es lokal zu einer thermisch kontrollierten Erwärmung des Zielsubstrats.
Etwaige Rückstände bei der Kondensation des Plasmas sind auf dem Metall vorteilhaft nicht fixiert und können daher vorteilhaft und im Wesentlichen problemlos wieder entfernt werden. Eine thermische Prozessführung mit einem Absorptionspromoter auf die gewünschte Anlasstemperatur des Metallsubstrates erfolgt kontrolliert und ohne Schädigung der Metalloberfläche.
Die 3 zeigt ein Blockschaltbild 100 zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Beschriftung oder Markierung einer Oberfläche, wie vorzugsweise einer Metalloberfläche.
Eine gegebenenfalls zuvor gereinigte Oberfläche eines Metalls wird in Block 101 mit einem Absorptionspromoter beschichtet. Dabei kann ein Abstand d zwischen Absorptionspromoter und Oberfläche durch eine zuvor oder gleichzeitig aufgetragene Zwischenschicht erreicht werden. Die Beschichtung erfolgt bevorzugt im Wesentlichen nur in Bereichen, in welchen eine spätere Beschriftung oder Markierung vorgenommen werden soll. Andererseits kann die Beschichtung auch großflächig erfolgen. Dabei kann die Beschichtung als Lackauftrag oder als aufklebbare oder haftende Folie aufbringbar sein. In Block 102 wird die beschichtete Oberfläche mittels eines Laserpulses gezielt erwärmt, so dass an den Stellen, an welchen der Laserpuls appliziert wird, die Metalloberfläche über die Anlasstemperatur erwärmt wird.
Nach dem laserinduzierten Erwärmen und Verfärben der Oberfläche kann die Oberfläche fakultativ wieder gereinigt werden, siehe Block 103. Dies kann die Entfernung von Rückständen und/oder noch vorhandenen Absorptionspromoter bedingen.

1: Oberfläche, Metalloberfläche
2: Schicht, Absorptionspromoter
3: Plasma
4: Laserstrahl, energiereicher Strahl
5: Metall
6: Oxidationsprozess
7: Zwischenschicht
50: Diagramm
51: Kurve
52: Absorption
53: Verdampfung
54: Ionisation
100: Blockschaltbild
101: Block zur Beschichtung
102: Block zur Applikation eines energiereichen Strahls, wie Laserstrahls
103: Block der Reinigung der Oberfläche

Claims

Verfahren zur Beschriftung oder Markierung von Oberflächen (1), wie insbesondere von Metalloberflächen, wobei die zu beschriftende oder zu markierende Oberfläche (1) in einem ersten Schritt mit einem Absorptionspromoter (2) beschichtet wird und anschließend an zu beschriftenden oder zu färbenden Oberflächenelementen ein energiereicher Strahl (4), wie beispielsweise ein Laserstrahl, appliziert wird, welcher durch die Wechselwirkung mit dem Absorptionspromoter die Oberfläche (1) über eine Temperaturerhöhung verfärbt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Applizieren des energiereichen Strahls (4) die Oberfläche (1) von Rückständen und/oder nicht weiter benötigtem Absorptionspromoter gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionspromoter (2) als Lack oder als aufklebbares oder haftendes Folienelement aufbringbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Absorptionspromoter und der Oberfläche eine Zwischenschicht (7) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (7) eine Dicke d im Bereich von 25 bis 100 μm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionspromoter (2) im Wesentlichen nur auf später zu beschriftende oder färbende Oberflächenbereiche aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionspromoter (2) großflächig aufgebracht wird.