DE102013002222A1

DE102013002222A1 - Verfahren zur Modifikation der Oberfläche eines Metalls

Info

Publication number: DE102013002222A1
Application number: DE201310002222
Authority: DE
Inventors: Hans Amler; Wolfgang Schüsslbauer; Josef Thumbs
Original assignee: Photon Energy GmbH
Current assignee: Photon Energy GmbH
Priority date: 2013-02-11
Filing date: 2013-02-11
Publication date: 2014-08-14
Anticipated expiration: 2033-02-12
Also published as: DE102013002222B4

Abstract

Verfahren zur Modifikation der Oberfläche eines Metalls (14), wobei Laserpulse mit einer Pulsdauer zwischen 1 ps und 800 ps und mit einer Pulsenergie zwischen 1 μJ und 1 mJ auf die Oberfläche des Metalls (14) gerichtet werden, wodurch sich das Reflexionsvermögen der Oberfläche lokal zumindest im sichtbaren Spektralbereich dauerhaft verändert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifikation der Oberfläche eines Metalls mittels Laserstrahlung, insbesondere mittels gepulster Laserstrahlung. Mit dem angegebenen Verfahren soll insbesondere eine dauerhafte Markierung der Oberfläche eines Metalls erzeugt werden können.
Typischerweise wird zu einer Markierung, Beschriftung oder Kennzeichnung der Oberfläche eines metallischen Gegenstands eine gepulste Laserstrahlung eingesetzt, die Laserpulse mit einer Pulsdauer im ns-Bereich (Ins = 1·10^–9 Sekunden) umfasst. Zur Erzeugung derartiger Laserpulse stehen kommerziell erhältliche, vergleichsweise günstige Kurzpulslaser zur Verfügung lassen. Die erzeugten Laserpulse weisen die zu einer sichtbaren und dauerhaften Modifikation der Oberfläche notwendigen Pulsenergien auf. Ein geeigneter Kurzpulslaser ist beispielsweise ein gütegeschalteter Nd:YAG-Laser, der bei einer Wellenlänge von 1064 nm emittiert.
Die mit derartigen Laserpulsen auf der Oberfläche eines Metalls erzeugte Modifikation stellt eine fühlbare und optisch wirksame Strukturmodifikation des Metalls dar. Eine derartige Modifikation ist dauerhaft und lässt sich bei entsprechender Fokussierung der Laserstrahlung mit einer hohen Präzision und Auflösung erzeugen. Ein Nachteil ist allerdings die vom Betrachtungswinkel abhängige Sichtbarkeit der erzeugten Modifikation. Insbesondere kann die erzeugte Modifikation gegebenenfalls unter einem bestimmten Betrachtungswinkel nicht oder nur mehr schlecht wahrgenommen werden. Nachteiligerweise ist eine derartige Modifikation zudem korrosionsanfällig. Typischerweise entsteht eine Anlassfarbe, die als solche durch einen oxidierten Bereich der Oberfläche gekennzeichnet ist.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren zu einer Modifikation der Oberfläche eines Metalls anzugeben, welches insbesondere die genannten Nachteile nicht mehr aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Modifikation der Oberfläche eines Metalls, wobei Laserpulse mit einer Pulsdauer zwischen 1 ps und 800 ps und mit einer Pulsenergie zwischen 1 μJ und 1 mJ auf die Oberfläche des Metalls gerichtet werden, wodurch sich das Reflexionsvermögen der Oberfläche lokal zumindest im sichtbaren Spektralbereich dauerhaft verändert.
Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von der durch eigene Untersuchungen überraschend gewonnenen Erkenntnis aus, dass durch den Einsatz von Laserpulsen mit einer Pulsdauer im ps-Bereich (1 ps = 1·10^–12 Sekunden) eine gänzlich andere Modifikation der Oberfläche eines Metalls erzeugt wird, als mit Laserpulsen mit einer Pulsdauer im ns-Bereich. Wird nämlich die Oberfläche eines Metalls mit Laserpulsen mit einer Pulsdauer im ps-Bereich behandelt, so ergibt sich eine optisch erkennbare Änderung der Oberfläche, deren Struktur jedoch im Vergleich zu einer Modifikation mittels Laserpulsen mit einer Pulsdauer im ns-Bereich nicht oder kaum fühlbar ist. Typischerweise ist die bei Verwendung von Laserpulsen mit einer Pulsdauer im ps-Bereich auftretende optisch wirksame Modifikation mit einem lokal verringerten Reflexionsvermögen verbunden, so dass die Oberfläche im behandelten Bereich gegenüber der Oberfläche in der Umgebung dunkler bis schwarz erscheint.
In einem zweiten Schritt haben weitergehende experimentelle Untersuchungen gezeigt, dass sich die beschriebene Modifikation einer metallischen Oberfläche am wirkungsvollsten mit Laserpulsen mit einer Pulsdauer zwischen 1 ps und 800 ps und mit einer Pulsenergie zwischen 1 μJ und 1 mJ erzielen lässt. Die Dunkelfärbung der behandelten Oberfläche ist dabei im Wesentlichen unabhängig von der Art des eingesetzten Metalls oder von der Beschaffenheit seiner Oberfläche. Insbesondere wird die Dunkelfärbung im angegebenen Bereich der Pulsdauern und Pulsenergien auch auf beschichteten oder mit einer Oxidschicht versehenen Oberflächen, wie z. B. auf einer eloxierten Aluminiumoberfläche, erreicht.
Die mit Laserpulsen mit einer Pulsdauer im ps-Bereich erzeugte Modifikation der Oberfläche eines Metalls ist unabhängig vom Betrachtungswinkel und unabhängig von der Wellenlänge des Betrachtungslichts, insbesondere also sowohl bei Tages- wie auch bei Kunstlicht, stets gleich gut zu erkennen. Mit anderen Worten ist die Erkennbarkeit der erzeugten Modifikation unabhängig vom Betrachtungswinkel bzw. zeigt das modifizierte Reflexionsvermögen keine oder eine nur sehr geringe Winkelabhängigkeit.
Die bislang erhaltenen experimentellen Daten lassen nach derzeitigem Erkenntnisstand darauf schließen, dass durch die Behandlung der Oberfläche eines Metalls mit Laserpulsen mit einer Pulsdauer im ps-Bereich lokal Nanostrukturen entstehen, die das Reflexionsvermögen der Oberfläche nach dem Prinzip des sogenannten Mottenaugeneffekts verändern. Durch die Nanostrukturen wird auf der Oberfläche des Metalls gewissermaßen ein gleitender Übergang des Reflexionsvermögens erreicht, so dass keine optische Grenzfläche und damit keine Reflexion mehr auftritt bzw. diese verringert ist.
Die Nanostrukturen entstehen gegebenenfalls dadurch, dass zwar im Bereich der Laserpulse enorm hohe Feldstärken herrschen, eine thermische Ankopplung über die Anregung von Phononen an das Metall jedoch aufgrund der kurzen Pulsdauern nicht ermöglicht ist. Das Gefüge der entstehenden Nanostrukturen ist im Vergleich zum übrigen Metall nicht modifiziert. Bei Laserpulsen mit einer Pulsdauer im ns-Bereich wird jedoch thermische Energie in das Metall eingekoppelt. Im Bereich der Laserpulse kommt es hierdurch zu einer Gefügeänderung, die spür- bzw. fühlbar und zudem unmittelbar sichtbar ist. Eine Modifikation der Oberfläche mit Laserpulsen mit einer Pulsdauer im ns-Bereich wird daher auch als eine Gravur bezeichnet.
Vorteilhafterweise sind die Laserpulse mit einer Pulsdauer zwischen 5 ps und 500 ps gewählt. Das sichtbare Ergebnis kann weiter verbessert werden, wenn die Laserpulse mit einer Pulsenergie zwischen 20 μJ und 1 mJ gewählt sind. Bevorzugt wird zum Erreichen der Pulsenergien zur Erzeugung der Laserpulse ein mit einer Repetitionsrate zwischen 10 kHz und 10 MHz betriebener Kurzpulslaser verwendet wird. Ein derartiger Kurzpulslaser zur Erzeugung von Laserpulsen im ps-Bereich wird üblicherweise als Ultra-Kurzpulslaser bezeichnet. Der Ultra-Kurzpulslaser wird zweckmäßigerweise mit einer mittleren Leistung zwischen 0,5 Watt und 50 Watt betrieben. Zur Behandlung der metallischen Oberfläche werden bevorzugt Laserpulse mit einer Wellenlänge zwischen 500 nm und 1200 nm eingesetzt. Um etablierte Festkörperlaser verwenden zu können, werden insbesondere Laserpulse mit einer Wellenlänge von 532 nm oder von 1064 nm zur Erzeugung der Modifikation der Oberfläche herangezogen.
Um die zur Erzeugung der Nanostrukturen erforderlichen Feldstärken zu erreichen, werden die Laserpulse vorteilhafterweise auf der Oberfläche des Metalls auf eine Fläche zwischen 10 μm und 200 μm fokussiert. Abhängig von der Pulsdauer sollte die Intensität der Laserpulse auf der Oberfläche des Metalls bevorzugt zwischen 10 GW/cm² und 200 GW/cm² betragen.
Das angegebene Verfahren eignet sich grundsätzlich zur Behandlung der Oberfläche verschiedenster und insbesondere auch oberflächenbehandelter Metalle. Dabei kann die Oberfläche des Metalls auch beschichtet sein. Bevorzugt kann auf der Oberfläche eine auch farbige Oxidschicht vorliegen. Bei der Erzeugung einer Modifikation der Oberfläche mit Laserpulsen mit einer Pulsdauer im ps-Bereich kann auch auf einer solchen Oxidschicht in einfacher Art und Weise eine sich dunkel abzeichnende Markierung hergestellt werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Metall ausgewählt aus der Gruppe, die Edelmetalle, Aluminium und Edelstahl enthält.
Da sich das Gefüge der erzeugten Nanostrukturen nicht vom Gefüge des übrigen Metalls unterscheidet, bieten sich für eine Korrosion, die üblicherweise an Fehlstellen, Rissen etc. ansetzt, wenig Angriffsmöglichkeiten. Bei den bekannten Verfahren mit Laserpulsen mit einer Pulsdauer im ns-Bereich kommt es dagegen durch Temperatureintrag zu einer massiven Gefügeänderung. Das angegebene Verfahren bietet daher gegenüber den Verfahren des Standes der Technik den Vorteil, dass eine korrosionsfeste Markierung erzeugt werden kann. Bevorzugt wird daher das vorbeschriebene Verfahren zur Herstellung einer korrosionsfesten Markierung auf der Oberfläche eines Metalls eingesetzt. Mit dem angegebenen Verfahren lassen sich, wie durch eigene Experimente nachgewiesen wurde, beispielsweise korrosionsfeste Markierungen auf rostfreien Stählen, insbesondere auf Messern, Rasierklingen etc. erzeugen. Mit den herkömmlichen Verfahren waren die durch Gefügeänderung erzeugten Markierungen nachteiliger weise in gewissem Umfang rostanfällig.
Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der einzigen Figur näher erläutert. Dabei zeigt 1 einen Markierungsaufbau 1 mit einem Ultra-Kurzpulslaser 2 und mit einer optischen Fokussierungs- und Ablenkeinrichtung 3. Gepulste Laserstrahlung 5 wird mittels eines strahlerweiternden Teleskops 7 auf einen Scanner 8 gelenkt. Im Scanner 8 lenken zwei Umlenkspiegel 10 den Strahl um. Die Laserstrahlung 5 wird dann durch eine Planfeldlinse 12 auf das zu markierende Objekt 14 fokussiert und zur Markierung der Oberfläche entlang eines vorgegebenen Streckenverlaufs geführt.
Die eingesetzten Laserpulse weisen eine Wellenlänge von 1064 nm, eine Pulsdauer von 10 ps und eine Pulsenergie von 100 μJ auf. Die Fokusfläche auf dem Objekt 14 beträgt 100 μm. Der Ultra-Kurzpulslaser 2 wird mit einer Repetitionsrate von 100 kHz betrieben. Als Objekt 14 wird ein oberflächlich oxidiertes Aluminium eingesetzt. Auf der Oberfläche des Objekts 14 ergibt sich dauerhaft eine dunkel bis schwarze, nicht tastbare Markierung.
Bezugszeichenliste

1: Markierungssystem
2: Ultra-Kurzpulslaser
3: Fokussierungs- und Ablenkeinrichtung
5: Laserstrahlung
7: Teleskop
8: Scanner
10: Umlenkspiegel
14: Objekt

Claims

Verfahren zur Modifikation der Oberfläche eines Metalls (14), wobei Laserpulse mit einer Pulsdauer zwischen 1 ps und 800 ps und mit einer Pulsenergie zwischen 1 μJ und 1 mJ auf die Oberfläche des Metalls (14) gerichtet werden, wodurch sich das Reflexionsvermögen der Oberfläche lokal zumindest im sichtbaren Spektralbereich dauerhaft verändert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei durch die Laserpulse auf der Oberfläche lokal dauerhafte Nanostrukturen erzeugt werden, die das Reflexionsvermögen der Oberfläche verändern.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei für die Laserpulse eine Pulsdauer zwischen 5 ps und 500 ps gewählt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Laserpulse eine Pulsenergie zwischen 20 μJ und 1 mJ gewählt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erzeugung der Laserpulse ein mit einer Repetitionsrate zwischen 10 kHz und 10 MHz betriebener Kurzpulslaser (2) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Kurzpulslaser (2) mit einer mittleren Leistung zwischen 0,5 Watt und 50 Watt betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserpulse eine Wellenlänge zwischen 500 nm und 1200 nm, insbesondere von 532 nm oder 1064 nm, aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserpulse auf der Oberfläche des Metalls (14) auf eine Fläche zwischen 10 μm und 200 μm fokussiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Intensität der Laserpulse auf der Oberfläche des Metalls (14) zwischen 10 GW/cm² und 200 GW/cm² beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Metall (14) ausgewählt ist aus der Gruppe, die Edelmetalle, Aluminium und Edelstahl enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche des Metalls (14) beschichtet ist, insbesondere als eine Oxidschicht gegeben ist.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung einer korrosionsfesten Markierung auf der Oberfläche eines Metalls (14).