DE102015215743B4

DE102015215743B4 - Kennzeichnungselement auf einer Oberfläche eines Bauteils

Info

Publication number: DE102015215743B4
Application number: DE102015215743.1A
Authority: DE
Inventors: Stephan Milles; Teja Roch; Andrés Fabián Lasagni
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2015-08-18
Filing date: 2015-08-18
Publication date: 2023-03-16
Anticipated expiration: 2035-08-19
Also published as: DE102015215743A1

Abstract

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,
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; wobei eine Wellenlänge oder ein Wellenlängenbereich der auf das Kennzeichnungselement (1) auftreffenden und davon reflektierten elektromagnetischen Strahlung über die Schichtdicke der Oxidschicht einstellbar ist.

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.
In DE 10 2012 011 343 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Interferenzstrukturierung von Proben und so strukturierte Proben beschrieben.
Eine ähnliche Vorrichtung und ein Verfahren sind auch EP 2 012 148 A1 bekannt.
Ein Verfahren zur Produktsicherung und Echtheitsprüfung von Waren ist in DE 100 19 721 A1 offenbart.
DE 600 05 508 T2 betrifft eine texturierte Spezialoberfläche und ein Verfahren zur Bestimmung, ob ein Artikel gefälscht ist.
In DE 10 2007 003 300 A1 ist ein Verfahren zum Schreiben holographischer Pixel offenbart.
In DE 10 2013 004 869 A1 ist eine Anordnung zur Ausbildung einer Struktur an Oberflächen von Bauteilen mit einem Laserstrahl sowie Verwendungen beschrieben.
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.
Bei metallischer Oberfläche eines Bauteils wird durch die Laserinterferenzstrukturierung lokal definiert eine Oxidation der Oberfläche erreicht, so dass ein topografisches Muster mit einer lokal definiert ausgebildeten Oxidschicht an der Oberfläche des Bauteils ausgebildet ist. Dabei soll 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 das 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 Kennzeichnungselements 1 als QR-Code mit einheitlich strukturierten Bereichen 2a und einem besonders strukturierten Bereich 2b, 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 % (Bereich 2a) 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 Teilbereiche 3 nicht strukturiert sind. Die genaue Position des Bereichs 2 und der nicht strukturierten Teilbereiche 3 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 Bereich 2 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 Bereichen 4 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 Bereiche 4 unterschiedliche geometrische Muster ausgebildet werden können. Die Änderung der Abstände kann dabei in unterschiedliche Raumrichtung variiert werden. In weiteren möglichen Ausführungen können die Bereiche 4 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 Bereichs 2 und der Teilbereiche 3 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 Lichtquelle 5, wie beispielsweise ein Halbleiterlaser verwendet werden, dessen Lichtstrahl 6 unter einem definierten Winkel von 32° zur Oberflächennormalen des Kennzeichnungselementes auf die Oberfläche gerichtet wird und dessen Reflexion 6a, 6b auf einem Schirm oder mittels eines ortsauflösenden Lichtmessgerätes 7, 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. In 4 sind dazu beispielhaft Versuchsaufbauten mit zwei unterschiedlichen Strukturperioden 8a, 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, das durch die Struktur in den Pixeln erzeugt wird.
Wird eines der Merkmale des QR-Codes nicht erkannt, ist das gekennzeichnete Bauteil ein Plagiat.

Claims

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, 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; wobei 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 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 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 dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laserstrahl (6) auf das Muster gerichtet wird.
Verwendung eines Kennzeichnungselements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Sicherheitsmerkmal, das zum Schutz vor Plagiaten in/an einer Oberfläche des Bauteils eingebracht oder dort ausgebildet ist.