DE102015215743A1 - Kennzeichnungselement auf einer Oberfläche eines Bauteils - Google Patents
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Abstract
Kennzeichnungselement auf einer Oberfläche eines Bauteils, bei dem ein definiertes Muster mittels Laserinterferenzstrukturierung in der Oberfläche eines Bauteils ausgebildet worden ist, wobei durch die Laserinterferenzstrukturierung zumindest teilweise ein Abtrag eines Beschichtungswerkstoffes und/oder eine photochemische Modifizierung und/oder eine thermische Umwandlung des Bauteilwerkstoffes im Oberflächenbereich erfolgt ist, so dass eine Struktur auf der Oberfläche ausgebildet ist, und dadurch auf das Kennzeichnungselement auftreffende elektromagnetische Strahlung aus dem Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts entsprechend dem definierten Muster an der ein- oder mehrdimensionalen Struktur absorbiert, transmittiert und/oder reflektiert wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Kennzeichnungselement auf einer Oberfläche eines Bauteils.
- Bauteile können bisher nur unzureichend vor Plagiaten geschützt werden. Bisher wurden Schutzmaßnahmen in Form von Prägestempeln, die einen duktilen Eindruck auf dem Bauteil hinterließen, oder durch inerte Marker, die in den das Bauteil bildenden Werkstoff eingebracht wurden, realisiert. Es existieren außerdem laserstrukturierte Sicherheitsmerkmale in Form von Laserhologrammen.
- Nachteilig an diesen Lösungen ist, dass sich Prägestempel und inerte Marker durch Serienkopien fälschen lassen. Bisherige laserstrukturierte Sicherheitsmerkmale weisen lediglich den holografischen Effekt als Merkmal auf und sind nicht mit konventionellen Mitteln, insbesondere Kameras, maschinell auslesbar.
- Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Kennzeichnungselement vorzuschlagen, das fälschungssicher und mit konventionellen Mitteln maschinell auslesbar ist.
- Ein erfindungsgemäßes Kennzeichnungselement weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
- Ein erfindungsgemäßes Kennzeichnungselement ist mittels Laserinterferenzstrukturierung als ein definiertes Muster in eine Oberfläche eines Bauteils eingebracht worden. Dabei ist durch die Laserinterferenzstrukturierung zumindest teilweise ein Abtrag eines Beschichtungswerkstoffes, eine photochemische Modifizierung und/oder eine thermische Umwandlung beispielsweise in Form einer Phasenänderung, Gefügeänderung, chemischen Änderung (z. B. Oxidation) und/oder Umschmelzen des Bauteilwerkstoffes im Oberflächenbereich erfolgt, so dass eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Struktur auf der Oberfläche ausgebildet worden ist. Eine dreidimensionale Struktur kann ausgebildet werden, wenn ein Abtrag des Beschichtungswerkstoffs erfolgt ist. Dadurch wird auf das Kennzeichnungselement auftreffende elektromagnetische Strahlung aus dem Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts entsprechend dem definierten Muster an der ein- oder mehrdimensionalen Struktur absorbiert, reflektiert und/oder gebeugt.
- Auf der Oberfläche eines Bauteils kann eine Farbstoffe oder Pigmente enthaltende Beschichtung ausgebildet sein, in der zur Ausbildung des Musters durch die Laserinterferenzstrukturierung ein lokal definierter Abtrag des Beschichtungswerkstoffes erfolgt und eine ein- oder mehrdimensionale Struktur ausgebildet wird. Die Oberfläche des Bauteils kann alternativ auch mit einer transparenten und/oder semitransparenten Beschichtung versehen sein, die entweder Dünnschichtinterferenzeffekte und/oder absorbierende Eigenschaften für auftreffende elektromagnetische Strahlung bewirkt.
- Die Oberfläche eines Bauteils kann metallisch sein und durch die Laserinterferenzstrukturierung lokal definiert eine Oxidation der Oberfläche erreicht werden, so dass ein topografisches Muster mit einer lokal definiert ausgebildeten Oxidschicht an der Oberfläche des Bauteils ausgebildet ist. Dabei kann eine Wellenlänge oder ein Wellenlängenbereich der auf das Kennzeichnungselement auftreffenden und davon reflektierten elektromagnetischen Strahlung über die Schichtdicke der Oxidschicht durch Nutzung von Interferenzeffekten eingestellt werden.
- Das definierte Muster eines erfindungsgemäßen Kennzeichnungselements kann ein QR-Code oder ein Barcode sein.
- Die mittels Laserinterferenzstrukturierung an/in der Oberfläche eines Bauteils ausgebildete Struktur kann einen makroskopisch wahrnehmbaren farbigen bzw. holografischen Effekt aufweisen und durch den Kontrast zwischen reflektierenden und absorbierenden Bereichen in dem Kennzeichnungselement insbesondere durch Kameras, die Bestandteil mobiler elektronischer Geräte sein können, und/oder Mikroskope maschinenlesbar sein.
- In dem definierten Muster des Kennzeichnungselements kann ein Bereich vorhanden sein, in dem mindestens ein definierter Teilbereich nicht oder andersartig als das übrige Kennzeichnungselement strukturiert ist. Ein solcher Teilbereich sollte mit bloßem Auge nicht erkennbar sein. Dieser Teilbereich kann sich sowohl auf einzelne Pixel des Kennzeichnungselementes, als auch auf Teilgebiete mit einem Flächenanteil von beispielsweise 1%–60% des Kennzeichnungselementes beschränken.
- Die Strukturierung kann mit einzelnen Pixeln, deren Größe im Bereich von 1 μm bis 1000 μm liegt, ausgebildet werden und/oder die Pixel können jeweils einen Mindestabstand zueinander im Bereich von 0,01 μm bis 2000 μm haben, wobei das Kennzeichnungselement mindestens einen Bereich mit jeweils unterschiedlichem Pixelabstand, Strukturperiode und/oder Strukturgeometrie aufweist.
- Zur Identifikation eines erfindungsgemäßen Kennzeichnungselements kann das Muster so ausgebildet sein, dass eine definierte elektromagnetische Strahlung auf des Kennzeichnungselement gerichtet und von diesem entsprechend dem definierten Muster an der ein- oder mehrdimensionalen Struktur gebeugt wird. Die definierte elektromagnetische Strahlung kann ein Laserstrahl sein. Die reflektierte elektromagnetische Strahlung kann in einem definierten Abstand und Winkel zum strukturierten Gebiet auf eine Bildebene oder ein Messgerät projiziert werden und dabei ein definiertes Beugungsmuster aufweisen. Dies betrifft insbesondere Teilbereiche.
- Ein erfindungsgemäßes Kennzeichnungselement kann als Sicherheitsmerkmal zum Schutz eines Bauteils vor Plagiaten verwendet werden. Es ist bereits makroskopisch identifizierbar. Jedes Bauteil kann mit einem individuellen Code gekennzeichnet werden, so dass Serienplagiate nicht möglich sind. Ein erfindungsgemäßes Kennzeichnungselement ist mit konventionellen Geräten, wie Smartphones und/oder Mikroskopen auslesbar und zu verifizieren. Durch die verschiedenen Merkmale des Kennzeichnungselements wird die Sicherheit des jeweiligen Bauteils vor Plagiaten in mehreren Schritten gewährleistet und so ein hohes Maß an Sicherheit erreicht.
- Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden.
- Dabei zeigen:
-
1 eine beispielhafte Ausführung eines Kennzeichnungselements, sowie zwei Ausschnitte daraus, -
2 Beispiele von auf einer Bauteiloberfläche ausgebildeten unterschiedlichen Bereichen, -
3 beispielhaft die Ausbildung unterschiedlicher geometrischer Muster, und -
4 beispielhafte Versuchsaufbauten zur Erkennung unterschiedlicher Strukturperioden. -
1 zeigt einen Ausschnitt einer beispielhaften Ausführung eines Kennzeichnungselements1 als QR-Code mit einheitlich strukturierten Bereichen2a und einem besonders strukturierten Bereich2b , die als gesonderte Ausschnitte des Kennzeichnungselements gezeigt sind. - Dazu wurden zwei kohärente Laserstrahlen mit einer Wellenlänge von 263 nm und einer Pulsenergie von 5,1 μJ auf einem zu strukturierenden Gebiet
4 (auch Pixel genannt) überlagert und mit einer Überlappung der zu strukturierenden Gebiete von 75% (Bereich2a ) und einem Pixelversatz, der dem doppelten Pixeldurchmesser entspricht, über eine Oberfläche eines Bauteils geführt, die aus einem Stahlwerkstoff X5CrNi18-10 gebildet ist. Die Strukturperiode betrug 2,0 μm. - In dem QR-Code ist ein Bereich
2b vorhanden, in dem definierte Teilbereiche3 nicht strukturiert sind. Die genaue Position des Bereichs2 und der nicht strukturierten Teilbereiche3 ist nur dem ausführenden Unternehmen bekannt und lässt sich mikroskopisch oder, wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, mit einem projizierten Beugungsmuster optisch überprüfen. Alternativ kann der Bereich2 oder ein weiterer Bereich mit einer vom restlichen Kennzeichnungselement abweichenden Strukturperiode, Strukturgeometrie oder Strukturorientierung ausgebildet werden. - In
2 sind Beispiele von unterschiedlich auf der Bauteiloberfläche ausgebildeten Bereichen4 angegeben. Die Bereiche können beispielsweise rund, elliptisch, quadratisch, rechteckig oder hexagonal ausgeprägt sein. Dabei können jeweils zwei Teilstrahlen mit unterschiedlichen Winkeln überlagert werden, wodurch Pixel mit linienförmigen Strukturen mit verschiedenen Strukturperioden ausgebildet werden können. Alternativ können auch mehr als zwei Laserstrahlen zur Strukturausbildung verwendet werden, wodurch beispielsweise Punktstrukturen mit hexagonaler oder rechtwinkliger Anordnung generiert werden können. Durch Drehen des Bauteils oder des verwendeten Laseraufbaus kann die Orientierung der eingebrachten Strukturelementes oder Pixel bei der Ausbildung der Struktur geändert werden. -
3 zeigt, dass durch Variation der Abstände der Bereiche4 unterschiedliche geometrische Muster ausgebildet werden können. Die Änderung der Abstände kann dabei in unterschiedliche Raumrichtung variiert werden. In weiteren möglichen Ausführungen können die Bereiche4 auch aus einer Kombination unterschiedlicher Strukturgeometrien (z. B. Linien und Kreuzstrukturen) oder Strukturorientierungen bestehen. - Zur Überprüfung oder Zuordnung des Kennzeichnungselements
1 auf ein Plagiat kann zunächst das Vorhandensein des holografischen Effekts geprüft werden. Das kann bereits mit bloßem Auge erfolgen. Bei Vorhandensein des holografischen Effekts wird der QR-Code als nächstes mit einem Smartphone ausgelesen. Sofern das Auslesen möglich war und die in dem QR-Code hinterlegten Informationen als korrekt erkannt wurden, kann in einem dritten Schritt die mikroskopische oder optische Überprüfung des Bereichs2 und der Teilbereiche3 ausgeführt werden. - Allein oder zusätzlich kann, wie
4 zeigt, eine Analyse der Projektion eines Beugungsmusters, das durch die Reflexion eines auf das Kennzeichnungselement gerichteten Laserstrahls auf eine Bildebene projiziert wird, durchgeführt werden. Hierfür kann eine monochromatische oder zumindest schmalbandige Lichtquelle5 , wie beispielsweise ein Halbleiterlaser verwendet werden, dessen Lichtstrahl6 unter einem definierten Winkel von 32° zur Oberflächennormalen des Kennzeichnungselementes auf die Oberfläche gerichtet wird und dessen Reflexion6a ,6b auf einem Schirm oder mittels eines ortsauflösenden Lichtmessgerätes7 , dessen Oberfläche um minus 32° zur Oberflächennormalen des bestrahlten Bereiches gekippt angeordnet sein kann, dargestellt werden. Die Darstellung des reflektierten Beugungsmusters entspricht dabei der fouriertransformierten Oberflächentopografie, d. h. bei einer periodischen Oberflächenstrukturierung einem Punktmuster. In4 sind dazu beispielhaft Versuchsaufbauten mit zwei unterschiedlichen Strukturperioden8a ,8b dargestellt. Durch Variation des Pixelabstandes kann ein zusätzlich zweites Beugungsmuster erzeugt werden. Dieses zweite durch die Anordnung und den Abstand der Pixel bedingte Beugungsmuster überlagert sich mit dem Beugungsmuster, dass durch die Struktur in den Pixeln erzeugt wird. - Wird eines der Merkmale des QR-Codes nicht erkannt, ist das gekennzeichnete Bauteil ein Plagiat.
Claims (12)
- Kennzeichnungselement (
1 ) auf einer Oberfläche eines Bauteils, bei dem ein definiertes Muster mittels Laserinterferenzstrukturierung in der Oberfläche eines Bauteils ausgebildet worden ist, wobei durch die Laserinterferenzstrukturierung zumindest teilweise ein Abtrag eines Beschichtungswerkstoffes und/oder eine photochemische Modifizierung und/oder eine thermische Umwandlung des Bauteilwerkstoffes im Oberflächenbereich erfolgt ist, so dass eine Struktur auf der Oberfläche ausgebildet ist, und dadurch auf das Kennzeichnungselement (1 ) auftreffende elektromagnetische Strahlung aus dem Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts entsprechend dem definierten Muster an der ein- oder mehrdimensionalen Struktur absorbiert, transmittiert und/oder reflektiert wird. - Kennzeichnungselement (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche eines Bauteils eine Farbstoffe oder Pigmente enthaltende Beschichtung ausgebildet ist, in der ein lokal definierter Abtrag des Beschichtungswerkstoffes an der Oberfläche des Bauteils zur Ausbildung des Musters erfolgt ist. - Kennzeichnungselement (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche eines Bauteils eine transparente und/oder semitransparente Beschichtung ausgebildet ist, die in einem definierten Wellenlängenbereich elektromagnetischer Strahlung Dünnschichtinterferenzeffekte aufweist und/oder auftreffende elektromagnetische Strahlung absorbiert. - Kennzeichnungselement (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer metallischen Oberfläche des Bauteils durch die Laserinterferenzstrukturierung lokal definiert eine Oxidation der Oberfläche erfolgt ist, und das Muster mit einer lokal definiert ausgebildeten Oxidschicht an der Oberfläche des Bauteils ausgebildet ist. - Kennzeichnungselement (
1 ) nach einem der vorhergehenden zwei Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wellenlänge oder ein Wellenlängenbereich der auf das Kennzeichnungselement (1 ) auftreffenden und davon reflektierten elektromagnetischen Strahlung über die Schichtdicke der Oxidschicht einstellbar ist. - Kennzeichnungselement (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das definierte Muster ein QR-Code oder ein Barcode ist. - Kennzeichnungselement (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennzeichnungselement (1 ) durch die mittels Laserinterferenzstrukturierung in der Oberfläche ausgebildete Struktur einen makroskopisch wahrnehmbaren elektromagnetische Strahlung beugenden und/oder holografischen Effekt aufweist und durch den Kontrast zwischen reflektierenden und absorbierenden Bereichen maschinenlesbar ist. - Kennzeichnungselement (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung mit einzelnen Pixeln, deren Größe im Bereich von 1 μm bis 1000 μm liegt, ausgebildet wird und/oder die Pixel jeweils einen Mindestabstand zueinander im Bereich von 0,01 μm bis 2000 μm haben, wobei das Kennzeichnungselement mindestens einen Bereich mit jeweils unterschiedlichem Pixelabstand, Strukturperiode und/oder Strukturgeometrie aufweist. - Kennzeichnungselement (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem definierten Muster ein Bereich (2 ) vorhanden ist, in dem mindestens ein definierter Teilbereich (3 ) nicht oder andersartig als das übrige Kennzeichnungselement (1 ) strukturiert ist. - Verfahren zur Identifikation eines Kennzeichnungselements (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster so ausgebildet ist, dass elektromagnetische Strahlung insbesondere auf einen Teilbereich (3 ) gerichtet und von diesem entsprechend dem definierten Muster an der ein- oder mehrdimensionalen Struktur absorbiert und/oder reflektiert wird, und die von dort reflektierte elektromagnetische Strahlung in einem definierten Abstand und Winkel zum strukturierten Gebiet auf eine Bildebene oder ein Messgerät projiziert wird und ein definiertes Beugungsmuster (7 ) aufweist. - Verfahren zur Identifikation eines Kennzeichnungselements (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl (6 ) auf das Muster gerichtet wird. - Verwendung eines Kennzeichnungselements (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Sicherheitsmerkmal, das zum Schutzvor Plagiaten in/an einer Oberfläche des Bauteils eingebracht oder dort ausgebildet ist.
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