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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln eines metallischen Werkstücks, insbesondere zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls.
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Stand der Technik und technologischer Hintergrund
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Die Oberflächenbearbeitung von metallischen Werkstücken mit dem Ziel einer Kennzeichnung oder Beschriftung des Werkstücks wird nach konventioneller Art mittels eines Gravierstiftes oder einer Fräse herbeigeführt. Dabei werden Informationen – beispielsweise in Form von Schriftzeichen oder Symbolen – mechanisch in das Bauteil eingeprägt.
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Ein anderes spanabhebendes Verfahren zur Markierung von Werkstückoberflächen ist das Lasermarkieren. Die Verwendung eines Laserstrahls ermöglicht eine präzisere Bearbeitung des Werkstücks bei zugleich geringerem Werkzeugverschleiß. Beim Lasermarkieren kann das Bauteil daher mit detaillierten Informationen – beispielsweise in Form einer Datenmatrix, eines zweidimensionalen Codes, einer Seriennummer, eines Produktnamens oder weiterer Schriftzeichen – versehen werden.
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Nachteilig ist jedoch, dass beim Lasermarkieren entstehende Rückstände oder Materialaufwürfe zu einer vergleichsweise geringen Codegüte führen oder nur mit erheblichem Aufwand beseitigt werden können.
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Beispielsweise werden die Materialaufwürfe durch eine nachträgliche Laserbearbeitung entfernt, wobei das Werkstück mit einem sogenannten „inversen Code“ markiert wird. Durch eine solche Lasernachbearbeitung können die Lasermarkierungen häufig nur in einem Oberflächenbereich nachbearbeitet werden, nicht jedoch in der Tiefe.
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Andererseits kann das Entstehen solcher Rückstände oder Materialaufwürfe durch Verwendung eines Ultrakurzpulslasersystems schon von vornherein vermieden werden, um eine gleichermaßen hohe Codegüte zu erzielen. Eine derartige Lasermarkierung – welche ohne einen Lasernachbearbeitungsschritt auskommt – ist typischerweise jedoch mit einem gesteigerten Kosten- und Herstellungsaufwand aufgrund des relativ komplexen Lasersystems verbunden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Behandlung eines metallischen Werkstücks, insbesondere zum Bearbeiten einer Oberfläche des Werkstücks mittels eines Laserstrahls, bereitzustellen, wobei auf vergleichsweise einfache und kostengünstige Weise ein hoher Kontrast und eine hohe Codegüte erzielt wird.
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Ein oder mehrere der geschilderten Nachteile des Standes der Technik lassen sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Behandlung eines metallischen Werkstücks, insbesondere zum Bearbeiten einer Oberfläche des Werkstücks mittels eines Laserstrahls, vermeiden oder zumindest mindern. Das Verfahren umfasst dazu die Verfahrensschritte:
- i) Lasermarkieren des Werkstücks in einem ersten Verfahrensschritt, wobei in einem Lasermarkierungsbereich eine Vertiefung mittels eines Laserstrahls erzeugt wird.
- ii) Beizen des Werkstücks in einem dem ersten Verfahrensschritt zeitlich nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt, wobei Material einer Aufwurfmaterialschicht des Lasermarkierungsbereichs abgetragen wird.
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Es hat sich gezeigt, dass mit einem zusätzlichen Beizschritt gemäß dem zweiten Verfahrensschritt eine Kontrastverbesserung der Lasermarkierung auf vergleichsweise einfache und kostengünstige Weise erzielt wird. Im Unterschied zum Lasermarkieren ohne diesen nachfolgenden Beizschritt sieht die erfindungsgemäße Lösung vor, dass die im Lasermarkierungsschritt entstehenden Materialrückstände und Materialaufwürfe durch Beizen auch innerhalb der Vertiefung auf einfache Weise abgetragen werden, sodass eine relativ kontrastreiche Lasermarkierung realisiert wird. Beispielsweise werden in dem zweiten Verfahrensschritt Partikel, Fremdstoffe und Verunreinigungen entfernt, sodass eine hohe Codegüte erzielt wird.
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Die erfindungsgemäße Kombination aus Lasermarkieren und Beizen ermöglicht die Herstellung einer robusten Lasermarkierung (d.h. insbesondere eine Lasermarkierung mit erhöhter Korrosionsfestigkeit), wobei zugleich die Geometrie der Markierung – insbesondere die Breite und/oder Tiefe der Vertiefung – präzise einstellbar ist. Durch den zusätzlichen Beizprozess wird das in dem ersten Verfahrensschritt aufgeschmolzene Material – beispielsweise Aufwürfe auf der Oberfläche und Material in der Vertiefung (Krater) – sehr spezifisch durch den Beizprozess entfernt, sodass erst durch das Beizen in dem nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt relativ glatte Flächen in Bereichen gebildet werden, die benachbart zu einer Kante zwischen einem Vertiefungsbereich und einem an den Vertiefungsbereich angrenzenden Oberflächenabschnitt des Werkstücks angeordnet sind. Ferner hat sich gezeigt, dass die durch Beizen nachbearbeitete Lasermarkierung auch noch nach der Anwendung mehrere nachträglicher Prozessschritte, beispielsweise Wärmebehandlung und/oder mechanische Belastungen, relativ gut lesbar bleibt. Darüber hinaus kann gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Werkstück mit einer im Wesentlichen rückstandsfreien Oberfläche im Lasermarkierungsbereich mittels eines relativ einfachen Lasersystems hergestellt werden, sodass der Herstellungsaufwand vergleichsweise gering ist und dennoch eine hohe Codegüte erreicht wird.
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Insbesondere umfasst das Lasermarkieren gemäß dem ersten Verfahrensschritt ein Gravieren der Oberfläche des Werkstücks, wobei zumindest der Bereich des Werkstücks, der die Lasermarkierung tragen soll, aus einem metallischen Werkstoff besteht. Insbesondere besteht der für die Lasermarkierung vorgesehene Bereich des Werkstücks aus Titan oder einer Titanlegierung. Das Werkstück ist vorzugsweise Teil eines medizinischen Geräts, insbesondere eines Implantats, wie einem Herzschrittmacher oder Defibrillator.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Lasermarkieren des Werkstücks in dem ersten Verfahrensschritt das Erzeugen einer Lasergravur, vorzugsweise eine Lasertiefengravur umfasst.
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Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass die Vertiefung – welche in diesem Dokument auch als Krater oder Laserdot bezeichnet wird – nachträglich gereinigt wird, sodass sehr tiefe Gravuren – insbesondere Lasertiefengravuren – mit vergleichsweise hohem Kontrast realisiert werden und zugleich eine Oberfläche des Werkstücks in dem Lasermarkierungsbereich – insbesondere in einem an die Vertiefung angrenzenden Oberflächenbereich des Werkstücks – vergleichsweise glatt ist. Das Beizen gemäß dem zweiten Verfahrensschritt ist somit ein kontrastverstärkender Beizprozess eines eine Lasergravur aufweisenden Werkstücks.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Lasergravur mittels eines Festkörperlasers erzeugt wird, wobei die Lasergravur insbesondere mit diodengepumpten Festkörperlaser bei einer Wellenlänge von im Wesentlichen 1064 Nanometer erzeugt wird, wobei die Lasergravur mit dem Festkörperlaser insbesondere bei einer Laserenergie von 1 Watt bei 100 Laserpulsen und einer Frequenz von 20 Kilohertz erzeugt wird.
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Gemäß einer ersten alternativen Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass das Beizen des Werkstücks in dem zweiten Verfahrensschritt mit einer wässrigen ammoniakalischen Wasserstoffperoxid-Lösung erfolgt. Die Beizlösung eignet sich insbesondere für Oberflächen aus Titan oder einer Titanlegierung.
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Insbesondere kann das Beizen mit folgendem Rezept für die Beizlösung erfolgen:
- – 10–60 Vol.% Wasser
- – 10–50 Vol.% Ammoniaklösung 25%
- – 20–50 Vol.% Wasserstoffperoxid 30%
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Optional können dieser Beizlösung ferner 2–4g Ethylendiamin-Tetraessigsäure-Dinatriumsalz (EDTA) pro 100 Milliliter (ml) Beizlösung zugesetzt werden.
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Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, eine im Wesentlichen rückstandsfreie Oberfläche zu erzeugen.
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Gemäß einer weiteren Verfahrensvariante erfolgt das Beizen des Werkstücks in dem zweiten Verfahrensschritt mit einer wässrigen Lösung aus einem Gemisch von Salpetersäure und Flusssäure. Auch diese Beizlösung eignet sich insbesondere für Oberflächen aus Titan oder einer Titanlegierung. Gemäß einer zweiten alternativen bevorzugten Ausführungsform ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Beizen des Werkstücks in dem zweiten Verfahrensschritt mit folgendem Rezept für die Beizlösung erfolgt:
- – 32–56 Vol.% Wasser
- – 15–25 Vol.% Salpetersäure (60%)
- – 3–7 Vol.% Flusssäure 48%
- – 0,5–1,5 Vol.% eines Tensids, wie beispielsweise einem Fluortensid
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner die Schritte:
- iii) Reinigen des Werkstücks in einem dem ersten Verfahrensschritt zeitlich vorhergehenden Verfahrensschritt,
- iv) Reinigen des Werkstücks in einem dem zweiten Verfahrensschritt zeitlich nachfolgenden dritten Verfahrensschritt.
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Beispielsweise wird die Oberfläche des Werkstücks zuerst mit Isopropanol gereinigt und anschließend der erste Verfahrensschritt durchgeführt, welcher das Lasermarkieren umfasst. Nach dem Beizen kann die Werkstückoberfläche mit Isopropanol und/oder Wasser gespült werden. Die Reinigung kann durch Ultraschall unterstützt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein metallisches Werkstück, das nach dem zuvor geschilderten Verfahren hergestellt wurde.
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In einem an die Vertiefung angrenzenden Oberflächenbereich weist das Werkstück eine Aufwurfmaterialschicht mit einer Schichtdicke von weniger als 4 Mikrometer, bevorzugt weniger als 2 Mikrometer, besonders bevorzugt weniger als 0,8 Mikrometer, ganz besonders bevorzugt weniger als 0,4 Mikrometer, auf.
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Bevorzugt weist die Vertiefung des Werkstücks einen kegelartigen Querschnitt auf, wobei sich der Begriff „Querschnitt der Vertiefung“ in diesem Dokument auf eine Querschnittsform der Vertiefung entlang einer Ebene bezieht, die im Wesentlichen quer zu einer Tangentialebene an eine Werkstückoberfläche im Bereich der Vertiefung orientiert ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vertiefung des lasermarkierten Werkstücks ein Verhältnis von Tiefe zu Breite zwischen 2,3 und 2,6, bevorzugt zwischen 2,38 und 2,58, besonders bevorzugt von ungefähr 2,48 aufweist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines unbehandelten Werkstücks in einer Querschnittsansicht,
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2 eine schematische Darstellung eines lasermarkierten Werkstücks vor dem Beizen,
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3 eine schematische Querschnittsansicht eines lasermarkierten und gebeizten Werkstücks,
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4 eine rasterelektronenmikroskopische Abbildung eines lasermarkierten Werkstücks in vergleichender Ansicht vor und nach dem Beizen,
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5 das Werkstück gemäß 4 in einer vergrößerten Ansicht,
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6 eine schematische Darstellung eines lasermarkierten Werkstücks vor dem Beizen in schematischer Draufsicht und in perspektivischer Ansicht,
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7 ein Diagramm eines Querschnittsprofils des in 6 gezeigten Werkstücks,
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8 eine schematische Darstellung eines lasermarkierten und gebeizten Werkstücks in schematischer Draufsicht und in perspektivischer Ansicht,
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9 ein Diagramm eines Querschnittsprofils des in 8 gezeigten Werkstücks,
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10 eine rasterelektronenmikroskopische Abbildung einer lasermarkierten Titan-Flanschoberfläche vor dem Beizen in einer schematischen Draufsicht,
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11 eine rasterelektronenmikroskopische Abbildung einer lasermarkierten Titan-Flanschoberfläche vor dem Beizen in einer schematischen Draufsicht,
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12 eine rasterelektronenmikroskopische Abbildung einer lasermarkierten und gebeizten Titan-Flanschoberfläche in einer schematischen Draufsicht,
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13 eine rasterelektronenmikroskopische Abbildung einer lasermarkierten und gebeizten Titan-Flanschoberfläche in einer schematischen Draufsicht,
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14 eine fotografische Abbildung einer lasermarkierten und gebeizten Titan-Flanschoberfläche in einer schematischen Draufsicht.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines unbehandelten Werkstücks 1 in einer Querschnittsansicht. Das in diesem Beispiel gezeigte unbehandelte Werkstück 1 weist einen sich hauptsächlich entlang einer Ebene erstreckenden Oberflächenabschnitt 100 auf, welcher in dem erfindungsgemäßen Verfahren wie nachfolgend beschrieben behandelt wird. Insbesondere wird der Oberflächenabschnitt 100 des Werkstücks 1 mittels eines Laserstrahls bearbeitet, wobei der Oberflächenabschnitt 100 nach der Bearbeitung mit dem Laserstrahl einen Lasermarkierungsbereich 110, 120 umfasst, welcher beispielhaft in 2 dargestellt ist. Zumindest der Oberflächenabschnitt 100 des Werkstücks 1 besteht aus einem metallischen Werkstoff, bevorzugt aus Titan oder einer Titanlegierung. Beispielsweise ist die Ebene des Oberflächenabschnitts 100 (Haupterstreckungsebene des Oberflächenabschnitts) eine Tangentialebene an eine gekrümmte Oberfläche des Werkstücks 1. Für den Fall, dass die Oberfläche des Werkstücks 1 plan ist, fallen die Haupterstreckungsebenen zusammen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines lasermarkierten Werkstücks 1 vor dem Beizen. Das bedeutet, dass 2 das in einem ersten Verfahrensschritt durch Lasermarkieren behandelte Werkstück 1 gemäß 1 zeigt, ohne dass das Werkstück 1 in einem zeitlich nachfolgenden Verfahrensschritt nachbearbeitet wurde. Während des Lasermarkierens wird mittels des Laserstrahls eine Vertiefung 10 in dem Lasermarkierungsbereich 110, 120 erzeugt.
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Der Lasermarkierungsbereich 110, 120 ist in dem zuvor beschriebenen Oberflächenabschnitt 100 angeordnet und umfasst einen die Vertiefung 10 aufweisenden Vertiefungsbereich und eine an den Vertiefungsbereich 110 angrenzenden – insbesondere den Vertiefungsbereich 110 ringförmig umgebenden – Oberflächenbereich 120. Der Oberflächenbereich 120 umfasst eine Aufwurfmaterialschicht 20 mit einer Schichtdicke 21. Die Aufwurfmaterialschicht 20 ist in dem ersten Verfahrensschritt durch das Lasermarkieren des Oberflächenabschnitts 100 entstanden und erstreckt sich ausgehend vom Oberflächenabschnitt 100 um die Schichtdicke 21 in eine im Wesentlichen quer zur Haupterstreckungsebene des Oberflächenabschnitts 100 orientierte Richtung. Des Weiteren umfasst der Vertiefungsbereich 110 Materialreste 30, wie beispielsweise aufgeschmolzenes und wieder erstarrtes Material des Werkstücks, Partikel, Verunreinigungen oder andere Rückstände aus der Laserbearbeitung.
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Die Vertiefung 10 weist eine Tiefe 11 quer zur Haupterstreckungsebene des Oberflächenabschnitts 100 und eine sich im Wesentlichen parallel entlang des Oberflächenabschnitts 100 erstreckende Breite 12 auf.
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3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines lasermarkierten und gebeizten Werkstücks 1. Das bedeutet, dass das in 2 dargestellte Werkstück 1 in dem ersten Verfahrensschritt mit einem Laserstrahl bearbeitet und anschließend mit einer Beizlösung behandelt worden ist. Während des Beizens des Werkstücks 1 wird in dem zweiten Verfahrensschritt Material der Aufwurfmaterialschicht 20 des Lasermarkierungsbereichs 110, 120 abgetragen. Des Weiteren werden in dem zweiten Verfahrensschritt, falls vorhanden, Materialreste 30 aus der Vertiefung 10 entfernt. Es hat sich gezeigt, dass die im Lasermarkierungsschritt entstehenden Materialaufwürfe 20 und Materialrückstände 30 durch Beizen auch innerhalb der Vertiefung auf einfache Weise abgetragen werden, sodass eine relativ kontrastreiche Lasermarkierung in dem Oberflächenabschnitt 100 realisiert wird. Beispielsweise werden in dem zweiten Verfahrensschritt Partikel, Fremdstoffe und Verunreinigungen, sowie aufgeschmolzenes und wieder erstarrtes Material aus dem Lasermarkierungsbereich 110, 120 entfernt, sodass eine vergleichsweise hohe Codegüte erzielt wird. Im Unterschied zu einer Lasernachbearbeitung wird somit ein lasermarkiertes Werkstück 1 mit einer hohen Codegüte auf einfache Weise hergestellt. Im Unterschied zu einer Laserbearbeitung mit einem Ultrakurzpulslasersystem wird dabei eine gleichermaßen hohe Codegüte mit einem einfacheren Lasersystem erzielt, sodass die Herstellungskosten für ein solches lasermarkiertes Werkstück 1 vergleichsweise gering sind.
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Die Aufwurfmaterialschicht 20 des erfindungsgemäß behandelten Werkstücks 1 weist in dem der Vertiefung 10 unmittelbar benachbarten Oberflächenbereich 120 eine Schichtdicke 21 von weniger als 4 Mikrometer, bevorzugt weniger als 2 Mikrometer, besonders bevorzugt weniger als 0,8 Mikrometer, ganz besonders bevorzugt weniger als 0,4 Mikrometer, auf. In dem hier gezeigten Beispiel ist die Schichtdicke 21 nach dem Beizen auf weniger als 50 Prozent, vorzugsweise auf weniger als 10 Prozent, des Betrags vor dem Beizen reduziert.
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Durch den zusätzlichen Beizprozess werden somit die Aufwürfe 20 auf der Oberfläche und das Material in der Vertiefung 10 durch den Beizprozess entfernt, sodass eine relativ glatte Fläche und scharf abgegrenzte Kanten zwischen dem Vertiefungsbereich 10 und dem Oberflächenabschnitt 100 des Werkstücks 1 gebildet werden.
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Die nachfolgenden Lasergravuren wurden jeweils mit einem Festkörperlaser der Wellenlänge 1064 nm bei einer Laserenergie von 1 W bei 100 Laserpulsen und einer Frequenz von 20 kHz erzeugt.
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4 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Abbildung eines lasermarkierten Werkstücks 1 aus Titan in vergleichender Ansicht vor dem Beizen, links, und nach dem Beizen, rechts. 5 zeigt das Werkstück 1 gemäß 4 in einer vergrößerten Ansicht. Als Beizlösung diente:
20 Vol.% deionisiertes Wasser
40 Vol.% Ammoniak (25%ig)
40 Vol.% Wasserstoffperoxid (30%ig)
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Das Beizen erfolgte bei Raumtemperatur für 1 h. Anschließend wurde mit Wasser und dann Isopropanol gespült.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines lasermarkierten Werkstücks 1 aus Titan vor dem Beizen in schematischer Draufsicht, links, und in perspektivischer Ansicht, rechts. 7 zeigt ein Diagramm eines Querschnittsprofils entlang der in 6 gezeigten Linie 200, wobei die Abszissenachse der Linie 200 entspricht und eine Länge in Mikrometer angibt. Die Ordinatenachse zeigt in derselben Einheit ein Höhenprofil der Vertiefung 10 und der Aufwurfmaterialschicht 20. Hier beträgt (vgl. 3) eine Tiefe 11 ungefähr 13,84 Mikrometer, eine Breite 12 ungefähr 30,84 Mikrometer und eine Schichtdicke 21 der Aufwurfmaterialschicht ungefähr 4,80 Mikrometer.
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8 zeigt eine schematische Darstellung eines lasermarkierten und gebeizten Werkstücks 1 aus Titan in schematischer Draufsicht, links, und in perspektivischer Ansicht, rechts. 9 zeigt ein Diagramm eines Querschnittsprofils entlang der in 8 gezeigten Linie 200 wobei die Abszissenachse der Linie 200 entspricht und eine Länge in Mikrometer angibt. Die Ordinatenachse zeigt in derselben Einheit ein Höhenprofil der Vertiefung 10 und der Aufwurfmaterialschicht 20. Hier beträgt (vgl. 3) eine Tiefe 11 ungefähr 15,51 Mikrometer, eine Breite 12 ungefähr 38,61 Mikrometer und eine Schichtdicke 21 der Aufwurfmaterialschicht ungefähr 0,35 Mikrometer.
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10 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Abbildung einer lasermarkierten Titan-Flanschoberfläche 1 vor dem Beizen in einer schematischen Draufsicht auf der linken Seite und eine vergrößerte Ansicht auf der rechten Seite. 11 zeigt eine fotografische Abbildung einer lasermarkierten Titan-Flanschoberfläche 1 vor dem Beizen in einer schematischen Draufsicht auf der linken Seite und eine vergrößerte Ansicht auf der rechten Seite. In dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel wurde der Laserstrahl während des Lasermarkierens mit einer niedrigeren Rate entlang der Oberfläche des Werkstücks 1 gescannt als in 10, sodass die Menge und Form der Bearbeitungsrückstände jeweils unterschiedlich ist.
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12 und 13 zeigen jeweils rasterelektronenmikroskopische Abbildungen einer lasermarkierten und gebeizten Titan-Flanschoberfläche 1 in einer schematischen Draufsicht auf der linken Seite und einer vergrößerten Ansicht auf der rechten Seite. Obwohl die Menge und Form der Bearbeitungsrückstände jeweils unterschiedlich ist (vgl. 10 und 11), wird durch den kontrastverstärkenden Beizprozess gemäß der vorliegenden Erfindung dennoch eine im Wesentlichen gleichermaßen hohe Codegüte erzielt.
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Als Beizlösung für das in 12 dargestellte Werkstück diente:
50 Vol.% deionisiertes Wasser
20 Vol.% Ammoniak (25%ig)
30 Vol.% Wasserstoffperoxid (30%ig)
3g EDTA pro 100ml der Beizlösung
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Das Beizen erfolgte bei Raumtemperatur für 1 h. Anschließend wurde mit Wasser und dann Isopropanol gespült.
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Als Beizlösung für das in 13 dargestellte Werkstück diente:
44 Vol.% deionisiertes Wasser
25 Vol.% Salpetersäure (60%ig)
30 Vol.% Flusssäure (48%ig)
1 Vol.% Fluortensid
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Das Beizen erfolgte bei Raumtemperatur für 1 h. Anschließend wurde mit Wasser und dann Isopropanol gespült.
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14 zeigt eine fotografische Abbildung einer lasermarkierten und gebeizten Titan-Flanschoberfläche 1 in einer schematischen Draufsicht in einer beispielhaften Ausführungsform nach einem Wärmebehandlungsschritt bei Temperaturen über 1000°C.
