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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Beschriftung
einer Oberfläche eines Substrats mittels eines Lasertransferverfahrens.
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Die
Beschriftung einer Oberfläche eines Substrats unter Verwendung
eines Laserstrahls erfolgt typischerweise durch Materialabtrag oder
Materialveränderung an der Oberfläche unter Einwirkung der
absorbierten Laserenergie. Gebräuchlich ist auch der Auftrag
einer flächigen Schicht aus Beschriftungsmaterial auf die
zu beschriftende Oberfläche, die strukturierte Belichtung
der Schicht und die Ablösung nicht belichteter Schichtflächenbereiche.
Darüber hinaus sind auch Lasertransferverfahren bekannt,
bei welchen ein transparenter Träger auf einer der zu beschriftenden
Oberfläche zugewandten Seite mit einem Beschichtungsmaterial
versehen und auf die zu beschriftende Oberfläche aufgelegt
oder in definiertem Abstand von dieser gehalten ist.
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Aus
der
DE 44 30 390 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung von strukturierten Metallisierungen auf
Oberflächen bekannt, bei welchen ein transparenter Träger
einseitig mit einer homogenen Metallbeschichtung versehen ist und
in engen Kontakt mit der zu metallisierenden Substratoberfläche
gebracht und danach durch den transparenten Träger mit
einem Laserstrahl bestrahlt wird. Dabei wird die Metallbeschichtung
an den bestrahlten Stellen verdampft und kondensiert auf der Substratoberfläche.
In der
EP 1 490 222
B1 ist eine Lasertransferfolie beschrieben, welche wenigstens
eine transparente Kleberschicht und mehrere Schichten mit jeweils
einem Glasflusspigment, einem Absorber und einem lasersensiblen
Pigment enthält, wobei die Konzentration des lasersensiblen
Pigments in den einzelnen Schichten unterschiedlich ist. Die Folie
wird auf eine zu beschriftende Oberfläche aufgeklebt und
ein Laserstrahl wird durch die Folie auf die Schichtenfolge gerichtet,
wobei der Absorber die Laserenergie aufnimmt und als Wärme
an die Glaspartikel und ein Metalloxid weitergibt. Das Metalloxid
schlägt sich auf der zu beschriftenden Oberfläche
nieder und wird mit einer Glashülle umschmolzen. Die Folie
wird danach wieder von der Oberfläche abgezogen. Die
DE 203 17 427 U1 beschreibt
eine Laserbeschriftungsanordnung, bei welcher eine transparente
Lasertransferfolie als Rollenmaterial vorliegt und zwischen einer
Laserstrahloptik und dem Werkstück über der Werkstückoberfläche
transportierbar ist.
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Die
DE19637255C1 beschreibt
ein Verfahren zum indirekten Beschriften von transparenten Materialien,
bei welchem ein silikatisches Beschichtungsmaterial mit einem organischen
Bindemittel einen grünkeramischen Körper bildet,
der von einer zu beschriftenden Oberfläche beabstandet
angeordnet und von einem Laserstrahl durch das transparente Material
hindurch beaufschlagt wird. Durch die punktuelle Einwirkung auf
den Grünkeramik-Körper verdampft lokal das Bindemittel
und schleudert die silikatischen Teilchen des Beschichtungsmaterials
auf die zu beschriftende Oberfläche. Der Körper
kann vielfach benutzt werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
und ein Verfahren zur Beschriftung der Oberfläche eines
transparenten Substrats mittels eines Lasertransferverfahrens anzugeben,
welche sich durch einfachen Aufbau und geringe Bearbeitungskosten
auszeichnen.
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Erfindungsgemäße
Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen
beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
Erfindung bietet mit der Verwendung eines metallischen Trägers
für das Beschichtungsmaterial besondere Vorteile, indem
das Metall des Trägers, nachfolgend auch kurz als Trägermaterial
bezeichnet, selbst oder eine durch chemische Veränderung
der Oberfläche des metallischen Trägers gebildete
Schicht einer Metallverbindung als Bechichtungsmaterial eine besonders
vorteilhafte Anordnung zur Beschriftung der Oberfläche
eines transparenten Substrats mittels eines Lasertransferverfahrens.
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Es
zeigt sich überraschend, dass eine mit der Erfindung erzeugte
Beschriftung auch auf als problematisch geltenden Flächen,
wie z. B. glatten Glasflächen mit hoher Auflösung
und sehr guter Haftung des vom Träger auf die Oberfläche
transferierten Beschichtungsmaterials erzeugt werden kann, was mit einer
Interaktion des Laserstrahls mit dem Beschichtungsmaterial im Bereich
des Durchtritts des Laserstrahls durch die Oberfläche und,
soweit diese von dem Beschichtungsmaterial beabstandet ist, zwischen
der Oberfläche und dem Träger des Beschichtungsmaterials
erklärt wird.
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Unter
Beschriftung im Sinne der Erfindung sei nicht nur die Abbildung
alphanumerischer Zeichen sondern allgemein eine beliebig zweidimensional
strukturierte Beschichtung eines Teils der Oberfläche des
Substrats verstanden.
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In
bevorzugter Ausführung liegt das Beschriftungsmaterial
direkt an den zu beschriftenden Oberfläche an und ist vorzugsweise
an diese angedrückt, wofür in der Anordnung vorteilhafterweise eine
auf der dem Substrat abgewandten Seite des Trägers angeordnete
Andrückvorrichtung, z. B. eine Druckstempelvorrichtung
vorgesehen ist.
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In
anderer vorteilhafter Ausführung ist das Beschichtungsmaterial
von der zu beschichtenden Oberfläche beabstandet angeordnet.
Zur Einstellung eines de finierten Abstands zwischen der zu beschichtenden
Oberfläche des Substrats und dem Beschichtungsmaterial
auf dem Träger können in erster vorteilhafter
Anordnung auf der das Beschichtungsmaterial aufweisenden Fläche
des Trägers Distanzelemente vorgesehen sein, welche im
Beschriftungsbetrieb an dem Substrat anliegen. In bevorzugter Ausführungsform
ist mit der Aufnahme für das Substrat eine Trägeraufnahme
verbunden, welche Distanzstrukturen aufweist, an welchen im Beschriftungsbetrieb
der Träger anliegt. Der Abstand zwischen dem Beschichtungsmaterial
des Trägers und der zu beschriftenden Oberfläche
des Substrats beträgt vorteilhafterweise wenigstens 0,05
mm, insbesondere wenigstens 0,1 mm. Der Abstand beträgt
vorteilhafterweise maximal 0,5 mm, insbesondere maximal 0,3 mm.
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Die
Aufnahme für das Substrat bildet vorteilhafterweise eine
Auflageebene. Das Substrat ist vorteilhafterweise scheibenförmig
oder plattenförmig eben. Das Substrat kann insbesondere
eine Glasplatte oder ein transparenter Kunststoff sein. Der Träger
ist vorteilhafterweise scheibenförmig oder plattenförmig
eben. In anderer vorteilhafter Ausführung kann der Träger
durch ein flexibles Band gebildet sein und als Rollenmaterial vorliegen.
Der Träger ist vorteilhafterweise nicht lasertransparent.
Der Träger kann insbesondere durch ein metallisches Blech oder
Band gebildet sein. Der Träger kann in vorteilhafter Ausführung
beidseitig mit Beschichtungsmaterial versehen und nach Verbrauch
einer Seite und Wenden für einen weiteren Zyklus mit der
zweiten Seite verwendet werden. Der Träger ist vorteilhafterweise
relativ zu dem Substrat parallel zur Fläche des Beschichtungsmaterials
verschiebbar, vorzugsweise mittels einer automatischen Vorschubeinrichtung.
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Das
Beschichtungsmaterial kann in einer ersten vorteilhaften Ausführung
ein Metall sein, wobei insbesondere der Träger materialhomogen
aus dem Metall bestehen kann. In anderer vorteilhafter Ausführung
kann das Beschichtungs material durch eine Metallverbindung gebildet
sein, wobei insbesondere die Metallverbindung durch chemische Umwandlung
der Oberfläche eines metallischen Trägers gebildet
sein kann. In besonders vorteilhafter Ausführung ist das
Beschichtungsmaterial eine durch Anodisierung des Trägermetalls
gebildete Schicht, insbesondere ein Aluminiumoxid, welches vorzugsweise durch
Eloxierung der Oberfläche eines aus Aluminium, insbesondere
als Aluminiumblech oder -platte bestehenden Trägers als
eloxierte Oberflächenschicht vorliegt. Eine Beschriftung
mit einem Metalloxid, insbesondere einem Aluminiumoxid erweist sich vorteilhafterweise
auch bei einer nachfolgenden Wärmebehandlung des Substrats,
z. B. eines Glassubstrats bei Temperaturen über 800°C
als beständig.
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Das
Beschichtungsmaterial kann in anderer vorteilhafter Ausführung
einen mineralischen Farbstoff oder einen Kunststoff enthalten.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei
zeigt:
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1 einen
schematischen Aufbau einer Laserbeschriftungsanordnung,
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2 ein
Beispiel eines Trägers mit Distanzelementen,
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3 ein
Beispiel eines zweiseitig beschichteten Trägers mit Distanzstrukturen
an einer Aufnahme.
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4 eine
Ausführungsform mit am Substrat anliegendem Träger
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1 zeigt
schematisch den Aufbau einer Laserbeschriftungsanordnung nach der
Erfindung. Auf einer Substrataufnahme SA, beispielsweise der Oberfläche
eines Arbeitstisches, ist ein Substrat SU positioniert, dessen nach
unten weisende Seite SO durch die Auflageebene, welche durch die
Substrataufnahme SA bestimmt ist, in definierter Position liegt.
In dem Arbeitstisch ist ein Fenster FE in der Substrataufnahme SA
ausgespart. Der zu beschriftende Oberflächenbereich SO
des Substrats ist über dem Fenster angeordnet. Unterhalb
des Fensters ist ein Träger TR positioniert, dessen dem
Substrat SU zuweisende Fläche mit einem Beschichtungsmaterial BM
versehen ist. Der Träger kann in einer Trägeraufnahme
TA gehalten und insbesondere in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene
verschiebbar geführt sein. Eine Vorschubeinrichtung zur
automatisierten Verschiebung des Trägers ist der Übersichtlichkeit
halber nicht mit eingezeichnet.
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Eine
Laserstrahloptik LO, beispielsweise mit einer bündelnden
Linse und/oder einer kippbaren Spiegelanordnung ist auf der dem
Träger TR abgewandten Seite des Substrat bzw. der Substrataufnahme
angeordnet. Ein Laserstrahl LS fällt durch die Strahloptik
LO auf das Substrat SU, welches aus lasertransparentem Material
besteht, und tritt durch das Substrat SU hindurch und durch den
zwischen dem Beschichtungsmaterial und dem Substrat freien Zwischenraum
hindurch auf das Beschichtungsmaterial BM. Das Beschichtungsmaterial
wird unter der Einwirkung der Laserenergie von dem Träger
gelöst und schlägt sich im Bereich des Durchtritts
des Laserstrahls LS fest haftend auf der Oberfläche SO
des Substrats SU ab. Der Laserstrahl LS ist über die Strahloptik
vorteilhafterweise in wenigstens einer Richtung, vorzugsweise in
zwei Richtungen in begrenztem Umfang variabel ausrichtbar, so dass über die
Steuerung der Strahloptik, insbesondere einer Kippspiegelanordnung,
der Strahlauftreffpunkt des Laserstrahls auf dem Beschichtungsmaterial
einem zweidimensionalen Muster folgend gesteuert werden kann und
das von dem Träger gelöste Beschichtungsmaterial
sich in einem korrespondierenden zweidimensionalen Muster als Beschriftung
auf der Fläche SO des Substrats SU niederschlägt.
Das sich von dem Träger lösende Beschichtungsmaterial,
welches sich in dem Durchtrittsbereich des Laserstrahls befindet
und auf die Substratoberfläche SO niederschlägt,
befindet sich auf der Substratoberfläche und in dem Zwischenraum
zwischen Substrat SU und dem Träger TR innerhalb des Laserstrahls
und kann dort mit diesem in Interaktion treten.
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Der
Träger besteht aus Metall und ist vorzugsweise materialhomogen.
Die dem Substrat zuweisende Oberfläche des metallischen
Trägers kann in erster vorteilhafter Ausführung
metallisch blank sein, wobei dann das Metall an der Oberfläche
des Trägers selbst das Beschichtungsmaterial bildet. Vorzugsweise
besteht die Oberfläche des metallischen Trägers
aus einer durch oberflächige chemische Umwandlung des Trägermetalls
gebildete Metallverbindung, welche das Beschichtungsmaterial als
eine Oberflächenschicht auf dem Träger bildet.
Besonders vorteilhaft ist eine Oberflächenschicht aus anodisiertem
Trägermetall. Vorzugsweise besteht der Träger
aus Aluminium und die das Beschichtungsmaterial bildende Oberflächenschicht
aus eloxiertem Aluminium
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2 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt mit einer Ausführung
eines Trägers TR, welcher an einer Beschichtungsmaterial
BM aufweisenden Seite zusätzlich Distanzelemente DE besitzt,
welche im Beschriftungsbetrieb an der Substratseite SO, welche beschriftet
werden soll, anliegt und auf diese Weise einen definierten Abstand
zwischen der Schicht aus Beschichtungsmaterial BM auf dem Träger
TR und der zu beschriftenden Fläche SO des Substrats SU
einstellt und gewährleistet. Mittel zum Halten des Trägers
TR an der Seite SO des Substrats sind der Übersichtlichkeit
halber nicht mit eingezeichnet, ebenso ist auf die Darstellung von
Mitteln zur Halterung des Substrats SU auf der Substrataufnahme
SA aus Übersichtlichkeitsgründen verzichtet.
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In 3 ist
eine bevorzugte alternative Ausführung des Trägers
skizziert, bei welcher der Träger auf zwei gegenüber
liegenden ebenen Flächen eine erste Schicht BM1 und eine
zweite Schicht BM2 aus Beschichtungsmaterial aufweist. Durch Ablösen
von Beschichtungsmaterial in von dem Laserstrahl LS beaufschlagten
Flächenbereichen einer Schicht aus Beschichtungsmaterial
wird diese, auch bei Vorschub des Trägers TR senkrecht
zur Zeichenebene, nach und nach in dem Sinne verbraucht, dass nicht mehr
eine beliebige Fläche für ein zu erzeugendes Muster
zur Verfügung steht. Der Träger TR kann aus der
Trägeraufnahme TA entnommen und nach Wenden mit der zweiten
Schicht BM2 nach oben zum Substrat hin weisend wieder in die Trägeraufnahme eingesetzt
und für einen zweiten Arbeitszyklus benutzt werden.
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Im
Beispiel der 3 wird ein definierter Abstand
DS zwischen der Schicht aus Beschichtungsmaterial und der zu beschriftenden
Fläche des Substrats durch Distanzsstrukturen DS, beispielsweise eine
Anlagestufe, an der Trägeraufnahme, welche vorzugsweise
fest mit der Substrataufnahme verbunden oder einteilig mit dieser
ausgeführt ist, gebildet. In dem Beispiel nach der 3 liegt
der Träger mit der Schicht BM1 aus Beschichtungsmaterial
an der Trägeraufnahme TA an.
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In
anderer nicht skizzierter vorteilhafter Ausführung kann
das Beschichtungsmaterial im Bereich der Anlage des Trägers
an der Trägeraufnahme auch entfernt sein. Insbesondere
kann die gestufte Trägeraufnahme mit den Distanzstrukturen
wie in 3 einerseits und eine Stufe an dem Träger
in dessen an der Trägeraufnahme anliegendem Randbereich
wie in 2 andererseits vorteilhaft kombiniert sein, um mit
denselben Distanzstrukturen für verschiedene Träger
durch Zusammenwirken der beiden Stufen trägerspezifisch
unterschiedliche Abstände zwischen Beschichtungsmaterial
und Substrat einzustellen.
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In
bevorzugter Ausführungsform nach 4 liegt
der Träger TR4 mit dem Beschichtungsmaterial BM1 bzw. nach
Wenden BM2 während des Beschriftungsvorgangs an der zu
beschriftenden Oberfläche SO des Substrators SU an und
ist vorteilhafterweise mittels einer Andrückvorrichtung
AV, z. B. einer Druckstempelvorrichtung mit vorgebbarer Kraft gegen
die zu beschriftende Fläche gedrückt. Es zeigt sich,
dass hierdurch insbesondere bei anodisiertem Trägermetall
als Beschichtungsmaterial eine besonders hohe Abriebfestigkeit des
auf das Substrat übertragenen Beschichtungsmaterials erreicht
werden kann. Eine Gegenkraft einer nicht mit eingezeichneten Haltevorrichtung
hält das Substrat an der Substrataufnahme.
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Die
Abbildungen sind nicht maßstäblich zu verstehen
und insbesondere in Lasersstrahlrichtung hinsichtlich der relativen
Abmessungen der Distanzelemente DE oder Distanzstrukturen, der Schichtdicken
BM, BM1, BM2 und der Träger TR bzw. TRD deutlich überhöht.
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Die
vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie
die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als
auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung
ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt,
sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei
Weise abwandelbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4430390
A1 [0003]
- - EP 1490222 B1 [0003]
- - DE 20317427 U1 [0003]
- - DE 19637255 C1 [0004]