DE102007050363A1

DE102007050363A1 - Verfahren zur Lasermarkierung eines Polymermaterials

Info

Publication number: DE102007050363A1
Application number: DE102007050363A
Authority: DE
Inventors: Thadeus Schauer; Heinz Greisinger; Roman Maurer
Original assignee: Forschungsinstitut fur Pigmente und Lacke eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-10-15
Filing date: 2007-10-15
Publication date: 2009-04-16
Also published as: ATE543656T1; EP2197684A1; WO2009049805A1; EP2197684B1

Abstract

Um ein Verfahren zur Lasermarkierung eines Polymermaterials bereitzustellen, bei dem es zu keiner erheblichen Änderung der Struktur der Matrix des Polymermaterials kommt, wird ein Verfahren mit folgenden Schritten vorgeschlagen: - das Bereitstellen eines Polymermaterials, wobei in, unter und/oder auf dem Polymermaterial Nanopartikel und/oder eine oder mehrere Nanoschichten vorgesehen sind, und wobei die Nanopartikel und/oder Nanoschicht(en) mindestens eine lasersensitive Komponente umfassen; und - das Einwirken von Laserlicht auf einen ausgewählten Bereich des Polymermaterials, so dass die lasersensitive Komponente in diesem Bereich zumindest partiell in ihrer physikalischen Struktur modifiziert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lasermarkierung eines Polymermaterials.
Die Lasermarkierung von Polymermaterialien ist eine bevorzugte Methode, um diese Materialien in einem schnellen und präzisen Verfahren mit einer dauerhaften Beschriftung oder sonstigen Kennzeichnung zu versehen. Bei den zu markierenden Polymermaterialien handelt es sich hierbei sowohl um Kunststoff-formkörper verschiedenster Art als auch um Lackierungen oder Beschichtungen von Gegenständen.
Die im Stand der Technik beschriebenen Lasermarkierungsverfahren für Polymermaterialien beruhen im Prinzip darauf, dass durch die Wechselwirkung des Laserlichts mit der Polymermatrix selbst oder mit einem lasersensitiven Additiv ein hoher Eintrag von thermischer Energie in das Polymermaterial erfolgt. In Folge dieses Energieeintrags kommt es zu einer Pyrolyse, Carbonisierung, Aufschäumung oder Ablation des Materials, d. h. einer makroskopischen Strukturänderung der Polymermatrix, in den mit Laserlicht beaufschlagten Bereichen, welche dann als Markierung optisch wahrnehmbar ist.
In der US 6,284,184 wird beispielsweise ein Verfahren zur Lasermarkierung mittels Ablation beschrieben. Dabei wird ein Kunststoffformteil eingesetzt, das an seiner Oberfläche eine oder mehrere Schichten unterschiedlich gefärbter Polymere aufweist. Durch das Abtragen einer oder mehrerer dieser Schichten mittels Laser kommt als Markierung die Farbe der jeweils darunter liegenden Schicht zum Vorschein.
In der EP 0 469 982 A2 wird ein Verfahren beschrieben zur Lasermarkierung von thermoplastischen Kunststoffen, wobei durch die Einwirkung des Lasers die in der Polymermatrix enthaltene Luft oder Feuchtigkeit expandiert und dadurch das Material aufgeschäumt wird.
Bei sämtlichen dieser Verfahren kommt es im Zuge der Lasermarkierung somit zu einer erheblichen Änderung der Struktur der Matrix des Polymermaterials, wodurch dieses in vielen Fällen seine gewünschten Eigenschaften an den markierten Stellen verliert. Insbesondere im Falle von Lacken oder Beschichtungen kann es je nach deren Dicke zur vollständigen Abtragung und/oder zur Verminderung der Haltbarkeit kommen. Bei einer Reihe von Anwendungen, bei denen es auf die Unversehrtheit der Oberfläche des zu markierenden Gegenstandes ankommt, sind solche Verfahren daher nicht anwendbar.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Lasermarkierung eines Polymermaterials bereitzustellen, bei dem die zuvor genannten Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren vermieden werden.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:

– das Bereitstellen eines Polymermaterials, wobei in, unter und/oder auf dem Polymermaterial Nanopartikel und/oder eine oder mehrere Nanoschichten vorgesehen sind, und wobei die Nanopartikel und/oder Nanoschicht(en) mindestens eine lasersensitive Komponente umfassen; und
– das Einwirken von Laserlicht auf einen ausgewählten Bereich des Polymermaterials, sodass die lasersensitive Komponente in diesem Bereich zumindest partiell in ihrer physikalischen Struktur modifiziert wird.

Indem durch die Einwirkung des Lasers eine lasersensitive Komponente der Nanopartikel und/oder Nanoschicht(en) modifiziert wird, kommt es zu einer Änderung des optischen Eindrucks des Polymermaterials in dem ausgewählten Bereich und somit zu einer sichtbaren Markierung, ohne dass dies mit einer Änderung der Struktur des Polymermaterials selbst (d. h. zum Beispiel der die lasersensitive Komponente enthaltenden polymeren Matrix) verbunden ist. Unter einer physikalischen Strukturänderung ist im Rahmen der Erfindung beispielsweise eine Verdampfung und/oder eine Zerstäubung der lasersensitiven Komponente zu verstehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit die vorteilhafte Möglichkeit, ein Polymermaterial mittels Laser zu markieren, ohne seine mechanischen Eigenschaften, die gegebenenfalls in einer Schutz- oder Barrierefunktion bestehen, nachteilig zu beeinflussen. Insbesondere kann die ursprüngliche Oberflächenbeschaffenheit des Polymermaterials, z. B. deren Rauigkeit, aufrecht erhalten werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die mit ihm verbundenen Vorteile können unabhängig davon verwirklicht werden, ob das Polymermaterial z. B. in der Gestalt eines Formkörpers oder einer Beschichtung vorliegt. Auf bevorzugte Ausführungsformen des Polymermaterials im Rahmen der Erfindung wird weiter unten noch im Einzelnen einzugehen sein.
Ein weiterer Vorteil ist in der Vielseitigkeit der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugbaren Markierungen zu sehen. In Abhängigkeit von der Art und Menge der eingesetzten Nanopartikel und/oder Nanoschicht(en), sowie der Transparenz und Farbe des Polymermaterials, können Markierungen mit unterschiedlichen Helligkeiten und/oder Farbeindrücken erzeugt werden. Des Weiteren sind Markierungen mit einem stufenlosen Kontrast möglich, insbesondere durch Variation der Intensität des einwirkenden Laserlichts, wodurch das Ausmaß der Strukturmodifikation der lasersensitiven Komponente beeinflusst werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich somit für eine Vielzahl verschiedener Einsatzbereiche und Arten von Markierungen, wie z. B. Beschriftungen, symbolische oder grafische Markierungen usw.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, eine Lasermarkierung des Polymermaterials ohne wesentliche Änderung der Eigenschaften der Polymermatrix erzeugen zu können, beruht unter Anderem auf den entsprechenden Abmessungen der vorgesehen Nanopartikel und/oder Nanoschicht(en). Dadurch können diese Partikel und/oder Schicht(en) im Verhältnis zu dem Polymermaterial eine relativ geringe Masse aufweisen und es genügen bereits relativ geringe Intensitäten des Laserlichts, um die physikalische Strukturänderung der lasersensitiven Komponente herbeizuführen. Durch diese geringen Intensitäten kann insbesondere eine Pyrolyse, Aufschäumung oder Ablation des Polymermaterials weitgehend vermieden werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter Nanopartikeln bzw. Nanoschichten insbesondere solche Partikel bzw. Schichten verstanden, die in mindestens einer Dimension eine mittlere Abmessung von weniger als ca. 1000 nm aufweisen. Verschiedene Arten von Nanopartikeln und Nanoschichten, die dabei zum Einsatz kommen können, werden nachstehend erläutert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Polymermaterial Nanopartikel. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Nanopartikel im Wesentlichen homogen in dem Polymermaterial verteilt sind. Das Polymermaterial bildet hierbei eine die Nanopartikel aufnehmende Matrix. Durch die erfindungsgemäße Modifikation der physikalischen Struktur der lasersensitiven Komponente der Nanopartikel ändert sich der optische Eindruck des Polymermaterials, der durch die darin verteilten Nanopartikel mitbestimmt wird, wodurch die erfindungsgemäße Markierung in dem entsprechenden Bereich erzeugt wird.
Wie bereits angesprochen, ermöglichen die geringen Abmessungen von Nanopartikeln die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit relativ geringen Laserintensitäten, d. h. mit einem relativ geringen Energieeintrag in das Polymermaterial. Die eingesetzten Nanopartikel weisen vorzugsweise in mindestens einer Dimension eine mittlere Abmessung von ca. 400 nm oder weniger auf, bevorzugt von ca. 5 bis ca. 300 nm, weiter bevorzugt von ca. 10 bis ca. 200 nm, am meisten bevorzugt von ca. 50 bis ca. 100 nm.
Für die Verwirklichung der genannten Vorteile ist es hierbei ausreichend, wenn die Nanopartikel in nur einer oder in zwei Dimensionen eine Abmessung im Nanometerbereich aufweisen. Damit die Nanopartikel ausreichend sichtbar sind und ihre Modifikation zu einer wahrnehmbaren Änderung des optischen Eindrucks des Polymermaterials führt, ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Nanopartikel in mindestens einer Dimension eine mittlere Abmessung von ca. 100 nm oder mehr aufweisen. Besonders bevorzugt sind in dieser Hinsicht mittlere Abmessungen von ca. 5 bis ca. 500 μm, am meisten bevorzugt von ca. 25 bis ca. 100 μm. Nanopartikel in diesem Größenbereich bewirken einen deutlichen optischen Effekt.
Je nach dem Verhältnis der Abmessungen der Nanopartikel in verschiedenen Dimensionen sind verschiedene Formen denkbar, in denen die Nanopartikel vorliegen können. Bevorzugte Nanopartikel können in Form von Plättchen, Nadeln, Fasern, Voll- oder Hohlsphären oder dergleichen, oder Mischungen hiervon, ausgebildet sein. Liegen die Nanopartikel zum Beispiel als Plättchen (Flakes) vor, so weisen diese bevorzugt eine Dicke im Nanometerbereich und im Übrigen Abmessungen im Mikrometerbereich auf, entsprechend den oben genannten bevorzugten Größenbereichen.
Erfindungsgemäß umfassen die Nanopartikel mindestens eine lasersensitive Komponente, auf die bislang noch nicht im Einzelnen eingegangen wurde. Unter einer lasersensitiven Komponente ist hierbei jedes Material zu verstehen, das in der Lage ist, mit Laserlicht in Wechselwirkung zu treten, insbesondere zu absorbieren, derart, dass in Folge dieser Wechselwirkung die physikalische Struktur des Materials zumindest partiell modifiziert wird. Eine Vielzahl solcher Materialien sind bekannt und können im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, wobei je nach Art der lasersensitiven Komponente(n) zum Teil Laserlicht mit unterschiedlichen Wellenlängen und/oder Intensitäten eingesetzt werden muss.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Nanopartikel im Wesentlichen vollständig aus einer lasersensitiven Komponente gebil det. Nanopartikel mit einem solchen im Wesentlichen homogenen Aufbau sind auf einfache Weise herzustellen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei insbesondere bevorzugt, wenn die Nanopartikel durch die Einwirkung des Laserlichts zumindest partiell verdampft und/oder zerstäubt werden. Eine solche Verdampfung bzw. Zerstäubung der in dem Polymermaterial enthaltenen Nanopartikel führt zu einer deutlichen Änderung des optischen Eindrucks in dem betreffenden Bereich, indem die zuvor sichtbaren Nanopartikel zerstört werden, ohne dass dabei, wie oben ausgeführt, die Eigenschaften der Polymermatrix negativ beeinflusst würden.
Die lasersensitive Komponente umfasst vorzugsweise ein oder mehrere Metalle, Legierungen oder Mischungen hiervon. Bei der Auswahl der lasersensitiven Komponente kann insbesondere auch deren Einfluss auf das gewünschte Aussehen (Farbe, Helligkeit, Reflektionseigenschaften usw.) des Polymermaterials berücksichtigt werden.
Metalle für den Einsatz als lasersensitive Komponente sind bevorzugt ausgewählt aus Aluminium, Chrom, Zink, Nickel, Magnesium, Zinn, Blei, Kupfer, Silber, Gold, Eisen, Edelstahl, Iridium, Vanadium, Cadmium, Titan und Platin.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Nanopartikel eine Kernkomponente sowie eine zumindest bereichsweise Beschichtung aus einer lasersensitiven Komponente. Die Kernkomponente dient hierbei als Träger für die lasersensitive Komponente und bleibt durch das im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzte Laserlicht im Wesentlichen unbeeinflusst.
Bevorzugt wird die Beschichtung der Nanopartikel durch die Einwirkung des Laserlichts zumindest partiell verdampft und/oder zerstäubt, wobei als lasersensitive Komponente(n) der Beschichtung insbesondere die bereits oben aufgeführten Materialien zum Einsatz kommen können. Die Markierung wird in diesem Fall dadurch erzeugt, dass in dem betreffenden Bereich des Polymermaterials nach der Einwirkung des Laserlichts der optische Eindruck durch die Kernkomponente anstelle der Beschichtung mitbestimmt wird. Je nach Auswahl der entsprechenden Komponenten kann dadurch die Markierung sowohl heller als auch dunkler erscheinen als der nicht markierte Bereich des Polymermaterials.
Die Beschichtung der Nanopartikel weist vorzugsweise eine Dicke von ca. 5 bis ca. 300 nm auf, bevorzugt von ca. 10 bis ca. 200 nm, weiter bevorzugt von ca. 20 bis ca. 100 nm. Das Vorsehen dünner Schichtdicken im Nanometerbereich trägt auch in diesem Fall dazu bei, dass mit relativ geringen Laserintensitäten gearbeitet werden kann. Die Abmessungen der Kernkomponente sind in diesem Zusammenhang eher unkritisch.
Die Kernkomponente der Nanopartikel umfasst vorzugsweise Glas und/oder ein oder mehrere mineralische oder synthetische anorganische Materialien. Besonders bevorzugt umfasst die Kernkomponente ein Schichtsilikat, insbesondere Glimmer und/oder beschichteten Glimmer, Graphit, Al₂O₃, TiO₂, SiO₂, Fe₂O₃ oder BiOCl.
Die Kernkomponente kann ferner ein oder mehrere Kunststoffe umfassen, insbesondere Polymethylmethacrylat, Polystyrol oder Polyethylenterephthalat. Grundsätzlich sollte bei der Auswahl der Kernkomponente darauf geachtet werden, dass diese in dem für die lasersensitive Komponente relevanten Wellenlängenbereich im Wesentlichen nicht lasersensitiv ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Kernkomponente der beschichteten Nanopartikel mehrere anorganische und/oder organische Materialien. In diesem Fall kann die Kernkomponente insbesondere mehrschichtig aufgebaut sein, z. B. in Form mehrschichtiger Plättchen, sphärischer Partikel oder dergleichen.
Besonders bevorzugt können als beschichtete Nanopartikel Plättchen (Flakes) aus Glimmer oder Kunststoff eingesetzt werden, die mit einem der oben genannten Metalle beschichtet sind. Derartige Flakes werden auch als Effektpigmente für bestimmte Lacke verwendet (z. B. als Metalleffektpigmente, Perlglanzpigmente, Interferenzpigmente und dergeleichen).
Die Erzeugung der Beschichtung auf der Kernkomponente der Nanopartikel kann insbesondere mittels PVD (physical vapor deposition), mittels CVD (chemical vapor deposition), nasschemisch oder elektrochemisch erfolgen.
Die Menge der Nanopartikel in dem Polymermaterial kann unter Berücksichtigung verschiedener Aspekte gewählt werden, insbesondere der Intensität des optischen Eindrucks der Nanopartikel sowie des gewünschten maximalen Kontrasts der zu erzeugenden Markierung. Der Anteil an Nanopartikeln kann insbesondere im Bereich von ca. 0,001 bis ca. 20 Gew.-%, bezogen auf das Polymermaterial, liegen. Bevorzugt ist ein Anteil von ca. 0,01 bis ca. 3 Gew.-%, besonders bevorzugt von ca. 0,1 bis ca. 0,5 Gew.-%.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in, auf und/oder unter dem Polymermaterial mindestens eine Nanoschicht angeordnet. Dies bietet sich insbesondere in den Fällen an, in denen auch das Polymermaterial selbst flächig ausgebildet ist, d. h. beispielsweise in Form einer Beschichtung oder einer Folie vorliegt.
Die Anordnung der Nanoschicht(en) "auf" oder "unter" dem Polymermaterial ist relativ zu einer Ausrichtung zu verstehen, bei der die zu markierende Seite des Polymermaterials nach oben orientiert ist.
Die Nanoschicht weist vorzugsweise eine Dicke von ca. 400 nm oder weniger auf, bevorzugt von ca. 5 bis ca. 300 nm, weiter bevorzugt von ca. 20 bis 200 nm, am meisten bevorzugt von ca. 50 bis ca. 100 nm. Durch die geringe Schichtdicke im Nanometerbereich ist die Masse der Nanoschicht relativ gering im Verhältnis zum Polymermaterial, sodass mit geringen Laserintensitäten und einem geringen Energieeintrag in das Polymermaterial gearbeitet werden kann.
Bevorzugt ist die Nanoschicht im Wesentlichen vollständig aus einer lasersensitiven Komponente gebildet. Dabei können insbesondere die im Zusammenhang mit Nanopartikeln aufgeführten lasersensitiven Komponenten eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Nanoschicht durch die Einwirkung des Laserlichts zumindest partiell verdampft und/oder zerstäubt wird. Die Markierung entsteht dabei durch den veränderten optischen Eindruck nach der Zerstörung der zuvor sichtbaren Nanoschicht in den betreffenden Bereichen des Polymermaterials.
Im Folgenden soll noch auf verschiedene Arten von Polymermaterialien eingegangen werden, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens markiert werden können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das Polymermaterial in Form eines Lackes oder einer Beschichtung auf einem Substrat vor. Durch die vorteilhaften Eigenschaften der Erfindung können auch sehr dünne Lackschichten oder Beschichtungen mittels Laser markiert werden, da keine Ablation des Polymermaterials erfolgt und die Schutzfunktion des Lackes bzw. der Beschichtung somit im Wesentlichen nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere kann der Lack oder die Beschichtung eine Dicke im Bereich von ca. 1 bis ca. 250 μm aufweisen.
Da im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens keine Wechselwirkung des Laserlichts mit dem Polymermaterial selbst erforderlich ist, kann dessen Zusammensetzung weitgehend frei gewählt werden. Die eingesetzten Lacke oder Beschichtungen können insbesondere auf Basis von Acrylat-, Epoxid-, Polyurethan-, Silan-, Silikat-, Alkyd- und/oder Polyesterverbindungen gebildet sein.
In dem Fall, dass eine Nanoschicht vorgesehen ist, kann diese sowohl zwischen dem Substrat und dem Polymermaterial, d. h. unter dem Lack bzw. der Beschichtung, als auch auf dem Polymermaterial, d. h. als Deckschicht, angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, die Nanoschicht in dem Polymermaterial, d. h. als Zwischenschicht, anzuordnen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das Polymermaterial in Form eines selbsttragenden Formkörpers vor. Das Polymermaterial eines solchen Kunststoffformkörpers kann insbesondere auf Basis eines synthetischen Polymers gebildet sein, welches ausgewählt ist aus Polyolefinen, insbesondere Polyethylen und Polypropylen, Polyamiden, Polyestern, Polyacetaten, Polyethersulfonen, Polyacrylaten, Polyoxymethylenen, Polyimiden, Polycarbonaten, Polyetherketonen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat und deren Mischungen.
Aufgrund der Tatsache, dass erfindungsgemäß die Wechselwirkung des Laserlichts mit den Nanopartikeln und/oder Nanoschichten(en) erfolgt, kann auch in diesem Fall die Zusammensetzung des Polymermaterials weitgehend beliebig gewählt werden. In Abhängigkeit von der Art der Nanopartikel und/oder Nanoschicht(en) und der dadurch bedingten Wellenlänge des eingesetzten Laserlichts sollte die Auswahl jedoch bevorzugt so erfolgen, dass eine Wechselwirkung des Laserlichts mit dem Polymermaterial im Wesentlichen vermieden wird.
Auf diese Weise können verschiedenste Arten von Polymermaterialien mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens markiert werden, indem jeweils geeignete lasersensitive Komponenten und Laser mit entsprechenden Wellenlängen, wie sie dem Fachmann bekannt sind, eingesetzt werden.
Formkörper, die aus dem Polymermaterial gebildet sind, können in verschiedenen Gestalten und für verschiedene Einsatzbereiche zur Anwendung kommen. Insbesondere kann es sich bei dem Formkörper um eine Folie handeln.
Die Lasermarkierung von Folien ist insbesondere in der Verpackungsindustrie von großem Interesse.
Ferner kann es sich bei dem Formkörper um ein Spritzgussteil handeln. Damit erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren die Lasermarkierung verschiedenster Produkte für ein weites Feld von Anwendungen.
Unabhängig von der Art und Form des Polymermaterials kann dieses neben den Nanopartikeln und/oder Nanoschicht(en) auch weitere Additive, die im Wesentlichen nicht lasersensitiv sind, umfassen, beispielsweise Füllstoffe oder Farbpigmente.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auch auf ein lasermarkiertes Polymermaterial, welches gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren erhältlich ist.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der Zeichnungen sowie der nachfolgenden Beispiele noch weiter erläutert.
Es zeigen im Einzelnen:
1: Eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2: eine schematische Darstellung des Aufbaus von Nanopartikeln gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3: eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
4: eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die 1A zeigt schematisch und ohne Rücksicht auf die realen Größenverhältnisse einen Bereich eines mittels Laser zu markierenden Polymermaterials 10. Bei dem Polymermaterial 10 handelt es sich um eine Lackschicht, die auf die Oberfläche eines Substrats 12 aufgetragen ist.
In dem Polymermaterial 10 sind Nanopartikel 14 in Form von Plättchen (Flakes) verteilt, die aus einer lasersensitiven Komponente, z. B. Aluminium, gebildet sind. Die Plättchen weisen eine Dicke im Nanometerbereich und im Übrigen Abmessungen im Mikrometerbereich auf, sodass sie einerseits eine sehr geringe Masse im Vergleich zu dem Polymermaterial 10 aufweisen und andererseits sichtbar sind und den optischen Eindruck des Polymermaterials 10 mitbestimmen.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Polymermaterial 10 in dem zu markierenden Bereich mit Laserlicht, angedeutet durch den Pfeil 16, beaufschlagt, wobei die Wellenlänge und Intensität des Laserlichts so gewählt sind, dass dieses von der lasersensitiven Komponente der Nanopartikel 14 absorbiert wird. Dabei kommt es zu einer Verdampfung und/oder Zerstäubung der Nanopartikel 14.
Der Zustand des lasermarkierten Bereichs 18 des Polymermaterials 10 ist in der 1B dargestellt. Das Material der Nanopartikel ist nach deren Zerstäubung bzw. Verdampfung in dem Polymermaterial 10 dispergiert und nicht mehr sichtbar, sodass der optische Eindruck des Polymermaterials 10 in dem markierten Bereich 18 gegenüber den nicht markierten Bereichen 19 deutlich verändert ist. Gleichzeitig erfolgt im Wesentlichen keine Ablation oder Pyrolyse des Polymermaterials 10, da die erfindungsgemäße Lasermarkierung mit einem relativ geringen Energieeintrag durchgeführt werden kann.
Handelt es sich bei dem Polymermaterial 10 beispielsweise um einen transparenten Lack, so sind in den nicht markierten Bereichen 19 die Nanopartikel 14 und in dem markierten Bereich 18 das Substrat 12 sichtbar. Bei einer gerin geren Intensität des Laserlichts können durch eine nur partielle Verdampfung bzw. Zerstäubung der Nanopartikel 14 auch Markierungen mit stufenlosem Kontrast erzeugt werden.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anstelle der Nanopartikel 14 des ersten Ausführungsbeispiels Nanopartikel mit einer Kernkomponente und einer Beschichtung aus einer lasersensitiven Komponente eingesetzt. Ein Beispiel für derartige Nanopartikel ist schematisch in der 2A dargestellt.
Die Nanopartikel 20 umfassen als Kernkomponente z. B. Glimmerplättchen 22, welche eine Beschichtung 24 aus einer lasersensitiven Komponente, z. B. Aluminium, aufweisen. Die Dicke der Beschichtung 24 liegt im Nanometerbereich und kann z. B. mittels PVD oder CVD auf die Glimmerplättchen 22 aufgebracht werden.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die Einwirkung des Laserlichts in dem zu markierenden Bereich des Polymermaterials die Beschichtung 24 der Nanopartikel 20 verdampft und/oder zerstäubt, sodass nur noch die Kernkomponente 22 übrig bleibt (siehe 2B). Somit wird der optische Eindruck des Polymermaterials vor der Markierung durch die Beschichtung 24 und nach der Markierung durch die Kernkomponente 22 bestimmt, wobei auch in diesem Fall durch die Variation der Intensität des Laserlichts Markierungen mit einem stufenlosen Kontrast erzeugt werden können.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf ein Substrat 30 zunächst eine Nanoschicht 32 aus einem lasersensitiven Material, z. B. Aluminium, aufgebracht. Auf diese Nanoschicht 32 wird ein Polymermaterial 34 in Form einer Lackschicht aufgebracht, wie dies in der 3A schematisch dargestellt ist.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Nanoschicht 32 durch die Einwirkung von Laserlicht, angedeutet durch den Pfeil 36, verdampft und/oder zerstäubt und ist in dem markierten Bereich 38 nicht mehr sichtbar, wie in der 3B dargestellt. Durch die Zerstörung der unter dem Polymermaterial 34 angeordneten Nanoschicht 32 wird somit in dem markierten Bereich 38 das Substrat 30 sichtbar, während in den nicht markierten Bereichen 39 die Nanoschicht 32 sichtbar ist.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt das Polymermaterial 40 in Form eines selbsttragenden Formkörpers vor, z. B. in Form einer Kunststofffolie, wie dies in 4A schematisch dargestellt ist. In dem Polymermaterial 40 sind Nanopartikel 44 in Form von Plättchen (Flakes) verteilt, die aus einer lasersensitiven Komponente, z. B. Aluminium, gebildet sind, entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Polymermaterial 40 in dem zu markierenden Bereich mit Laserlicht, angedeutet durch den Pfeil 46, beaufschlagt. Dabei kommt es zu einer Verdampfung und/oder Zerstäubung der Nanopartikel 44.
Der Zustand des lasermarkierten Bereichs 48 des Polymermaterials 40 ist in der 4B dargestellt. Das Material der Nanopartikel ist nach deren Zerstäubung bzw. Verdampfung in dem Polymermaterial 40 dispergiert und nicht mehr sichtbar, sodass der optische Eindruck des Polymermaterials 40 in dem markierten Bereich 48 gegenüber dem nicht markierten Bereich 49 deutlich verändert ist.
Beispiele
Beispiel 1
Für die Lasermarkierung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde als Polymermaterial ein 2K-PUR-Klarlack der Firma Wörwag (Woeropur R-3203H) verwendet, der mit Schichtdicken von ca. 20 bis 50 μm auf ein farbiges Substrat aufgetragen wurde.
Dem Klarlack wurden Nanopartikel in Form von PVD-Aluminiumflakes von der Firma Schlenk (z. B. Decomet 1008/10) zugegeben. Die Menge der Aluminiumflakes bezogen auf das Polymermaterial betrug 0,1 Gew.-%, 0,2 Gew.-% oder 0,5 Gew.-%.
Die Markierung des Polymermaterials mittels Verdampfung bzw. Zerstäubung der Aluminiumflakes erfolgte durch den Einsatz eines Nd:YAG-Lasers (FOBALAS FD84S) bei einer Wellenlänge von 1064 nm.
Durch Variation der Intensität des Lasers konnten Markierungen mit hoher Kantenschärfe und stufenlosem Kontrast erzeugt werden, ohne dass es zu einer Ablation der Lackschicht kam. Dabei wurde mit einem Lampenstrom im Bereich von 21 A bis 32 A und einer entsprechenden Leistung von ca. 1 W bis 8 W, einer Vorschubgeschwindigkeit von 80 bis 2000 mm/s und einer Modenblende 1.0 gearbeitet.
Beispiel 2
Ausgehend von Beispiel 1 wurde anstelle von PVD-Aluminiumflakes ein Effektpigment ChromaFlair 190 der Firma JDS Uniphase verwendet. Hierbei handelt es sich um Flakes aus einem anorganischen Träger (Kernkomponente), die eine metallische Beschichtung im Nanometerbereich aufweisen.
Die Lasermarkierung mittels Verdampfung bzw. Zerstäubung der metallischen Beschichtung des anorganischen Trägers erfolgte wie in Beispiel 1 beschrieben.
Beispiel 3
Ein 2K-PUR-Klarlack der Firma Wörwag (Woeropur R-3203H) wurde mit einer Schichtdicke von 20 μm auf eine 60 nm dicke PVD-Aluminiumschicht aufgetragen, welche auf eine 100 μm dicke PET-Folie der Firma Hück Folien appliziert worden war.
Die Lasermarkierung mittels Verdampfung bzw. Zerstäubung der Aluminiumschicht erfolgte wie in Beispiel 1 beschreiben.
Beispiel 4
PVD-Aluminiumflakes der Firma Schlenk (z. B. Decomet 1008/10) wurden in ein Polypropylenpolymer Moplen HP501H der Firma Basell Deutschland in einer Konzentration von 0,1 Gew.-%, 0,2 Gew.-% oder 0,5 Gew.-% eingearbeitet. Aus dem Polymermaterial wurden Formkörper in Form von 1 mm dicken Platten mittels Extrusion hergestellt.
Die Lasermarkierung der Platten mittels Verdampfung bzw. Zerstäubung der Aluminiumflakes erfolgte wie in Beispiel 1 beschrieben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6284184 [0004]
- EP 0469982 A2 [0005]

Claims

Verfahren zur Lasermarkierung eines Polymermaterials, umfassend – das Bereitstellen eines Polymermaterials, wobei in, unter und/oder auf dem Polymermaterial Nanopartikel und/oder eine oder mehrere Nanoschichten vorgesehen sind, und wobei die Nanopartikel und/oder Nanoschicht(en) mindestens eine lasersensitive Komponente umfassen; und – das Einwirken von Laserlicht auf einen ausgewählten Bereich des Polymermaterials, so dass die lasersensitive Komponente in diesem Bereich zumindest partiell in ihrer physikalischen Struktur modifiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Nanopartikel und/oder Nanoschicht(en) in mindestens einer Dimension eine mittlere Abmessung von weniger als ca. 1000 nm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Polymermaterial Nanopartikel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Nanopartikel im Wesentlichen homogen in dem Polymermaterial verteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Nanopartikel in mindestens einer Dimension eine mittlere Abmessung von ca. 400 nm oder weniger aufweisen, bevorzugt von ca. 5 bis ca. 300 nm, weiter bevorzugt von ca. 10 bis ca. 200 nm, am meisten bevorzugt von ca. 50 bis ca. 100 nm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Nanopartikel in mindestens einer Dimension eine mittlere Abmessung von ca. 100 nm oder mehr aufweisen, bevorzugt von ca. 5 bis ca. 500 μm, weiter bevorzugt von ca. 25 bis ca. 100 μm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Nanopartikel in Form von Plättchen, Nadeln, Fasern, Voll- oder Hohlsphären oder dergleichen, oder Mischungen hiervon, ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Nanopartikel im Wesentlichen vollständig aus einer lasersensitiven Komponente gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Nanopartikel durch die Einwirkung des Laserlichts zumindest partiell verdampft und/oder zerstäubt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Nanopartikel eine Kernkomponente sowie eine zumindest bereichsweise Beschichtung aus einer lasersensitiven Komponente umfassen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Beschichtung der Nanopartikel durch die Einwirkung des Laserlichts zumindest partiell verdampft und/oder zerstäubt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Beschichtung eine Dicke von ca. 5 bis ca. 300 nm aufweist, bevorzugt von ca. 10 bis ca. 200 nm, weiter bevorzugt von ca. 20 bis ca. 100 nm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Kernkomponente der Nanopartikel Glas und/oder ein oder mehrere mineralische oder synthetische anorganische Materialien umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Kernkomponente ein Schichtsilikat, insbesondere Glimmer und/oder beschichteten Glimmer, Graphit, Al₂O₃, TiO₂, SiO₂, Fe₂O₃ oder BiOCl, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Kernkomponente ein oder mehrere Kunststoffe umfasst, insbesondere Polymethylmethacrylat, Polystyrol oder Polyethylenterephthalat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15 wobei die Kernkomponente mehrere anorganische und/oder organische Materialien umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 16, wobei der Anteil an Nanopartikeln in dem Polymermaterial ca. 0,001 bis ca. 20 Gew.-% beträgt, bevorzugt ca. 0,01 bis ca. 3 Gew.-%, weiter bevorzugt ca. 0,1 bis ca. 0,5 Gew.-%.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in, auf und/oder unter dem Polymermaterial mindestens eine Nanoschicht angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Nanoschicht eine Dicke von ca. 400 nm oder weniger aufweist, bevorzugt von ca. 5 bis ca. 300 nm, weiter bevorzugt von ca. 20 bis ca. 200 nm, am meisten bevorzugt von ca. 50 bis ca. 100 nm.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Nanoschicht im Wesentlichen vollständig aus einer lasersensitiven Komponente gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei die Nanoschicht durch die Einwirkung des Laserlichts zumindest partiell verdampft und/oder zerstäubt wird.
Verfahren nach einer der vorangehenden Ansprüche, wobei die lasersensitive Komponente ein oder mehrere Metalle, Legierungen oder Mischungen hiervon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das oder die Metalle ausgewählt sind aus Aluminium, Chrom, Zink, Nickel, Magnesium, Zinn, Blei, Kupfer, Silber, Gold, Eisen, Edelstahl, Iridium, Vanadium, Cadmium, Titan und Platin.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Polymermaterial in Form eines Lacks oder einer Beschichtung auf einem Substrat vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Lack oder die Beschichtung auf Basis von Acrylat-, Epoxid-, Polyurethan-, Silan-, Silikat-, Alkyd- und/oder Polyesterverbindungen gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei eine Nanoschicht zwischen dem Substrat und dem Polymermaterial und/oder auf dem Polymermaterial angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei eine Nanoschicht in dem Polymermaterial angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei das Polymermaterial in Form eines selbsttragenden Formkörpers vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei das Polymermaterial auf Basis eines synthetischen Polymers gebildet ist, welches ausgewählt ist aus Polyolefinen, insbesondere Polyethylen und Polypropylen, Polyamiden, Polyestern, Polyacetaten, Polyethersulfonen, Polyacrylaten, Polyoxymethylenen, Polyimiden, Polycarbonaten, Polyetherketonen, Polystyrol, Polyvi nylchlorid, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat und deren Mischungen.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, wobei der Formkörper eine Folie ist.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, wobei der Formkörper ein Spritzgussteil ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Polymermaterial im Wesentlichen nicht lasersensitive Additive umfasst.
Lasermarkiertes Polymermaterial, erhältlich gemäß dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.