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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur lasergestützten Veränderung von optischen Oberflächeneigenschaften auf nicht planaren Oberflächen von Metallobjekten.
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Aus dem Stand der Technik sind diverse Vorrichtungen und Verfahren zum Aufbringen von Beschriftung und/oder Markierung auf Objekten aus verschiedenen Materialien bekannt. Von besonderem Interesse ist das Aufbringen von Beschriftung und/oder Markierung auf Objekten aus Metall beispielsweise zur Kennzeichnung eines Herstellers, zur Anbringung einer Seriennummer oder einer sonstigen Kennzeichnung.
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So ist insbesondere für Herstellerangaben bekannt, dass diese mittels eines Stempelwerkzeugs physisch in die Oberfläche des zu kennzeichnenden Objekts eingeprägt werden. Dies hat jedoch Nachteile dahingehend, dass lediglich das Höhenprofil der Oberfläche lokal verändert wird und keine zusätzliche Farbinformation auf die Oberfläche aufgebracht wird. Eventuell kann bei einer Prägung die Oberflächenrauigkeit gegenüber umgebenden Bereichen verändert werden, jedoch besteht auch hier die Problematik eines vergleichsweise geringen Kontrastunterschieds gegenüber den umgebenden Bereichen. Eine Prägung ist insbesondere an den Übergängen zwischen hohen und tiefen Bereichen erkennbar, in übrigen Bereichen ist die Erkennbarkeit deutlich reduziert. Vor allem auf stark reflektierenden Oberflächen, wie sie bei Metallen häufig erwünscht sind, sind Prägungen vergleichsweise schlecht erkennbar. Aufgrund der bei der Prägung entstehenden Kanten entlang des Höhenprofils entstehen zwangsläufig Bereiche, in denen sich Schmutz ablagern kann, welcher aufgrund der Geometrie auch nur schlecht wieder entfernbar ist.
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Darüber hinaus ist dieses Verfahren vergleichsweise teuer und unflexibel, da für jede Motiv- oder Bauteiländerung ein neues Prägewerkzeug gefertigt werden muss. Diese Werkzeuge sind vergleichsweise teuer, so dass diese Technik nur bei Motiven und Zeichen verwendet wird, die in großer Stückzahl auf identischen Waren aufgebracht werden sollen. Darüber hinaus kann die Geometrie des Objekts auf dem die Prägung vorgenommen wird in unerwünschter Weise verändert werden. Durch die Einwirkung kinetischer Energie beim Prägen können Maßänderungen auftreten, die beispielsweise den optischen Eindruck des Objekts verschlechtern oder bei empfindlichen Teilen eine Unwucht oder sonstige negative Beeinflussung deren Funktion hervorrufen können. Daher ist dieses Verfahren auch für komplexe und filigrane Bauteilgeometrien ungeeignet.
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Daher haben sich als alternative Gravuren etabliert. Dabei wird unterschieden zwischen mechanischem Gravieren und Lasergravieren. Bei diesem Verfahren wird das gewünschte Motiv bzw. Zeichen mittels eines Fräskopfs oder eines Laserstrahls in die Oberfläche eingraviert. Auch dieses Verfahren hat den Nachteil, dass durch Materialabtrag Raum für zum Teil schwer entfernbare Ablagerungen gebildet wird. Darüber hinaus sind diese Verfahren für die meisten beschichteten Oberflächen ungeeignet, da die Beschichtung entfernt oder zerstört wird. Somit entstehen lokale Fehlstellen der Beschichtung und/oder nicht erwünschte optische Effekte. Durch thermische Belastung kann es auch zu einer erhöhten Mikrorissbildung bei Metallarbeiten kommen.
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Ebenfalls etabliert ist Elektroätzen. Bei diesem elektrochemischen Bearbeitungsverfahren werden Metalle oder Metallschichten mittels elektrischen Stromes abgetragen. Bei diesem Verfahren ist jedoch keine gezielte Farbgebung möglich und die Ästhetik der behandelten Stelle ist wegen der oftmals auftretenden braun-grünen Färbung und der Tendenz zur Fleckenbildung gestört. Darüber hinaus weisen Bereiche, die durch Elektroätzen behandelt wurden, eine verringerte und oftmals nicht ausreichende Witterungsbeständigkeit auf.
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Für einfachere Objekte haben sich daher Printlösungen, beispielsweise in Form von Stickern, Direktdrucken oder Folierungen etabliert. Diese werden jedoch überwiegend für vergleichsweise preisgünstige Produkte verwendet, da sie vom Verbraucher oftmals als „billig“ wahrgenommen werden und von Anbietern daher als nicht zu einem edlen Produkt passend angesehen werden. Diese negative Auffassung wird insbesondere durch die geringe Haltbarkeit, die Witterungsanfälligkeit und die geringe physische und thermische Belastbarkeit hervorgerufen. Derart gekennzeichnete Produkte erscheinen insbesondere nach dauerhafter Bewitterung schnell unansehnlich. Darüber hinaus ergeben sich bei dieser Art der Kennzeichnung Einschränkungen bei sehr komplexen Bauteilgeometrien. Vielfach verwendet wird dieses Verfahren daher lediglich bei rotationssymmetrischen oder ebenen Oberflächen.
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Das Laser-Anlassbeschriften ist die am weitesten verbreitete Lasermarkierungstechnik für Metalle. Bei diesem Verfahren wird durch die gezielte Einwirkung von Wärme und Sauerstoff lokal die Farbe gemäß den spez. Anlassfarben von Metall in den äußeren Randschichten des zu markierenden Metallobjekts verändert. Dieses Verfahren ist jedoch insbesondere bei Legierungen wie Edelstahl nachteilig, da dem Edelstahl Chromanteile entzogen werden und die behandelte Fläche aufgrund der Beschädigung der Oberfläche korrosionsanfällig wird. Aufgrund der durch den Laserstrahl eingebrachten Energie kann es auch in der direkten Umgebung hitzebedingte Veränderungen der Kristall- und Gefügestruktur geben. Durch die Abstrahlwärme können auch unbehandelte Stellen des Metalls beeinflusst werden und beispielsweise mechanische Kennwerte negativ verändert werden. Die Farbe einer derartigen Markierung ist durch die Farbe der Reaktionsprodukte von Metall und Sauerstoff beschränkt. Diese ist in den meisten Fällen ein dunkles Grau, welches aber insbesondere bei größeren Flächen deutlich als nicht Schwarz erkannt wird. Während dies bei kleineren Flächen vom Verbraucher toleriert wird, ist bei größeren Motiven eine vollflächige homogene schwarze Markierung erwünscht, die durch dieses Verfahren nicht bereitgestellt werden kann. Daneben ergibt sich die Problematik, dass die Markierung bei bestimmten Betrachtungswinkeln spiegeln kann, so dass sie kaum bis gar nicht mehr erkennbar ist.
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Um die oben genannten Nachteile hinsichtlich des Laser-Anlassbeschriftens auszuräumen, wurden Lasermarkierungen mit Substrat entwickelt. Dabei wird die Metalloberfläche vor der Laserbehandlung mit einem anorganischen Substrat beschichtet, welches sich bei Hitzeeinwirkung mit der Metalloberfläche dauerhaft verbindet. Es handelt sich hierbei um ein aufwändiges und kostenintensives Verfahren. Aufgrund der Notwendigkeit des Aufbringens des Substrats ist die Verwendung bei dreidimensionalen, nicht rotationssymmetrischen Objekten stark eingeschränkt. Außerdem erfordert dieses Verfahren eine Reinigung der behandelten Objekte nach der Laser-Beschriftung/Markierung.
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Ebenfalls Laser-basiert ist das Laser-Ätzen, wobei die oberste Schicht des zu behandelnden Materials mittels eines Laserstrahls aufgeschmolzen wird. Dabei wird jedoch zumindest partiell die Struktur des Materials zerstört, so dass es sich um ein destruktives Verfahren handelt. Weiterer Nachteil ist, dass sich das aufgeschmolzene Material ausdehnt und so eine ebene und glatte Oberfläche nicht zu realisieren ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur lasergestützten Veränderung von optischen Oberflächeneigenschaften auf nicht planaren Oberflächen von Metallobjekten bereitzustellen, die die oben beschriebenen Nachteile ausräumen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1.
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Durch dieses Verfahren ist es erstmals möglich, eine langlebige und qualitativ hochwertige Beschriftung/Markierung auf eine Ziel-Oberfläche eines dreidimensionalen Objekts aufzutragen, bei welchem die Ziel-Oberfläche Höhenprofil aufweist. Durch das Einbrennen des Substrats kann die gewünschte Farbe dauerhaft auf der Ziel-Oberfläche fixiert werden.
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Die während der Durchführung des Verfahrens vorgesehenen Schritte müssen dabei nicht zwangsläufig in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Beispielsweise könnten zunächst Informationen über die Form des dreidimensionalen Objektes in einer Datenverarbeitungseinrichtung vorliegen und erst dann beispielsweise mittels 3D-Druck das dreidimensionale Objekt bereitgestellt werden. Ebenso wäre denkbar, dass zunächst ein (digitales) Motiv vorliegt und dann ein Objekt gesucht und bereitgestellt wird, auf dem dieses Motiv einen gewünschten optischen Effekt bringt. Auch das Aufbringen des Substrats kann unabhängig und zeitversetzt zu den übrigen Verfahrensschritten erfolgen. Lediglich die Reihenfolge der Schritte d), e), h) und i) ist zwingend vorgegeben.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das dreidimensionale Objekt nicht rotationssymmetrisch. Vielmehr ermöglicht das vorliegende Verfahren, nahezu jede beliebige Oberflächengeometrie mit einer Markierung zu versehen. Lediglich durch Überhänge abgeschattete Bereiche lassen sich nicht oder nur unter erschwerten Bedingungen gemäß dem vorliegenden Verfahren behandeln.
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Um den hohen Anforderungen an das optische Erscheinungsbild der Markierung insbesondere auf hochwertigen Produkten zu genügen, sind scharfe Konturen vorteilhaft. Daher ist in einer bevorzugten Verfahrensvariante vorgesehen, dass der Fokus des Lasers während Schritt g) entsprechend eines Höhenprofils der zu beaufschlagenden Oberfläche nachgeführt wird.
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Wie oben beschrieben wurde, sind auf dem Markt bereits Verfahren zur Behandlung von bestimmten Materialien vorhanden, die jedoch jeweils besondere Nachteile aufweisen. Mit dem vorliegenden Verfahren ist es nun möglich, auch bisher nicht mit langlebigen und qualitativ hochwertigen Beschriftungen/Markierungen versehbare Oberflächen und Materialien zu behandeln. Insbesondere ist dies mit den bekannten Verfahren bei Glas, Keramik, Metall und Metalllegierungen schwierig oder sogar unmöglich. In einer bevorzugten Verfahrensvariante ist daher das dreidimensionale Objekt aus einem Material, das ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Glas, Keramik, Metall und Metalllegierungen umfasst.
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In einer bevorzugten Verfahrensvariante umfasst das Substrat ein anorganisches Pigment. Dies ermöglicht, dass die Beschriftung/Markierung dauerhaft, hitzeresistent bis mindestens 500 °C, bevorzugt mindestens 600 °C, weiter bevorzugt mindestens 700 °C und besonders bevorzugt mindestens 750 °C ist. Bevorzugt ist die Beschriftung/Markierung kratzfest und/oder chemisch stark belastbar. Diese besondere Belastbarkeit wurde in Langzeittests bestätigt.
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Da insbesondere auf Metallen und Glas hohe Kontraste und ein tiefes Schwarz gewünscht ist, ist bevorzugt, dass das Substrat ein schwarzes Pigment umfasst. Dies hat darüber hinaus den Vorteil, dass es die Energie des Lasers besonders stark absorbiert und daher bereits bei vergleichsweise geringen Laserenergien ausreichend fest in die Oberfläche eingebrannt werden kann.
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Bei dem Substrat hat sich eine farbige, keramikbasierte, mit Ethanol verdünnte Mischung als besonders vorteilhaft herausgestellt. In einer bevorzugten Variante wird eine solche Mischung verwendet.
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Bevorzugt wird auf die zu beschriftende/markierende Oberfläche das Substrat mittels eines Fluidstroms (z.B. mittels Druckluft (z.B. Airbrush)) oder mittels eines anderen geeigneten Beaufschlagungsmittels wie beispielsweise einem Pinsel aufgetragen. Bei der Beaufschlagung mit einem Laser brennt sich das Substrat ähnlich einem beschleunigten Emaillierungs-Prozess dauerhaft an das umgebende Material. Der Laser, insbesondere in der Variante mit nachgeführtem Fokus, dient hierbei als hochpräzise Wärmequelle, die das außerhalb des Fokus liegende Substrat und die umgebende Oberfläche des dreidimensionalen Objekts unverändert belässt. Dadurch ist es möglich, dass das außerhalb des Fokusbereichs und somit außerhalb des laserbehandelten Bereichs aufgetragene Substrat leicht wieder abgetragen werden kann. Als Ergebnis erhält man eine kontrastreiche, scharf gegenüber der Umgebung abgegrenzte Markierung/Beschriftung auf dem dreidimensionalen Objekt.
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Besonders geeignet ist das oben beschriebene Verfahren für die Oberflächenbehandlung von metallischen Oberflächen im Automobilbereich.
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Besonders bevorzugt wird das Verfahren zum Aufbringen einer Beschriftung und/oder Markierung auf einem dreidimensionalen Objekt verwendet, welches ein Auspuff-Endtopf (bevorzugt eines Motorrads) ist. Allerdings ist das Verfahren nicht auf die Beschriftung und/oder Markierung dieser Objekte beschränkt. Weitere Anwendungsgebiete sind Markierung von Metallteilen nach deren Herstellung, die Oberflächenbehandlung (verchromen, verzinken, usw.), die Kennzeichnung von Fertigteilen sowie die Aufbringung von Artikel- oder Seriennummern.
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Außerdem wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch eine Vorrichtung zur lasergestützten Veränderung von optischen Oberflächeneigenschaften auf nicht planaren Oberflächen insbesondere nach einem Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche gelöst, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sie eine Datenverarbeitungseinrichtung, eine Laserbeaufschlagungseinrichtung und eine Beaufschlagungseinrichtung zum Aufbringen eines Substrats auf eine Ziel-Oberfläche eines dreidimensionalen Objektes umfasst. Diese Vorrichtung erlaubt das zeitlich und räumlich effiziente Durchführen des oben beschriebenen Verfahrens.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Scanner zur Erfassung von Informationen über die Form des dreidimensionalen Objektes auf, sowie eine Einrichtung zur Übertragung dieser Daten an die Datenverarbeitungseinrichtung. Bei dem Scanner kann es sich bevorzugt ebenfalls um einen Laserscanner handeln. Weiter bevorzugt wird als Strahlungsquelle des Scanners der ohnehin bereits vorhandene Laser genutzt. Dieser wird bevorzugt bei einer geringeren Energie betrieben als es für das Einbrennen gemäß Schritt g) vorgesehen ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Laserbeaufschlagungseinrichtung eine Einrichtung zum Verändern des Fokus des Lasers und/oder des Winkels, mit dem der Laserstrahl eine Ziel-Oberfläche eines dreidimensionalen Objektes trifft, auf. Zur Veränderung des Fokus umfasst die Laserbeaufschlagungseinrichtung bevorzugt Linsen und/oder Spiegel. Mittels dieser optischen Elemente kann der Fokus entlang der Höhenausdehnung des dreidimensionalen Objekts verschoben werden.
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Insbesondere bei stark gekrümmten dreidimensionalen Objekten kann trotz der Nachführung des Fokus eine Verzerrung des Fokuspunktes auftreten. Dies hat nicht nur zur Folge, dass die Konturen unscharf werden, sondern auch, dass die Laserenergie über eine größere Fläche verteilt auftrifft. Eventuell kann daher nicht ausreichend Energie für das Einbrennen zur Verfügung stehen. Daher ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Laserbeaufschlagungseinrichtung eine Optik aufweist mittels der die Richtung des Laserstrahls veränderbar ist. Insbesondere ist der Winkel bezüglich der mit dem Laserstrahl zu beaufschlagenden Fläche veränderbar. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Winkel über einen Bereich von mindesten 90°, weiter bevorzugt mindestens 120°, besonders bevorzugt mindestens 150° veränderbar.
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Dies oder eine Kombination der oben beschriebenen Einrichtungen ermöglicht es, dass jeder Punkt der zu beaufschlagenden Oberfläche exakt mit einem Laser unter den ermittelten Parametern beaufschlagt werden kann. So kann gewährleistet werden, dass der Laserstrahl in einem definierten Fokusbereich auf das Material auftrifft. Dies ist baulich durch die erwähnten Linsen und Spiegel realisiert.
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Bevorzugt verarbeitet die Laserbeaufschlagungseinrichtung (beispielsweise mittels eines separaten Mikroprozessors) CAD-Daten welche von der Datenverarbeitungseinrichtung übertragen werden und fährt automatisch den Fokus entlang der Z-Achse (der Höhenrichtung des Oberflächenprofils) auf die entsprechende Höhe. Weiter bevorzugt kann sie Flächen beaufschlagen, die in einem Winkel von beispielsweise 120° zueinander angeordnet sind. Außer der oben beschriebenen Optik ist dies in einer alternativen bevorzugten Ausführungsform durch eine 5-Achs CNC-gesteuerte Führung des Lasers möglich. Dabei wird bevorzugt der Laserkopf, welcher durch eine flexible Glasfaserleitung mit der Laserquelle verbunden ist, mittels eines Roboterarms über das zu beaufschlagende dreidimensionale Objekt geführt.
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Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnungen erläutert, in welchen beispielhaft Eigenschaften und vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt sind.
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Es zeigen:
- 1a ein Foto einer Lasergravur gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren;
- 1b ein Foto einer Prägung auf verchromtem Edelstahl.
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Das in 1 gezeigte Foto zeigt das Ergebnis einer Lasergravur gemäß dem vorliegenden Verfahren. Gut zu erkennen ist, dass trotz der unsymmetrischen Geometrie des zu beschriftenden dreidimensionalen Objekts (zu erkennen an den Verzerrungen der Spiegelung im oberen Bereich) der Schriftzug klar und scharf zu erkennen ist. Auch der Kontrast ist außerordentlich stark.
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Als Vergleichsbeispiel ist in 1b das Ergebnis einer Prägung desselben Schriftzugs dargestellt. Bei der Prägung wird keine zusätzliche Farbe auf das Substrat aufgebracht. Dementsprechend schlecht ist der Schriftzug unter bestimmten (Reflexions-) Bedingungen lesbar. Im Wesentlichen sind lediglich die Konturen des Schriftzugs erkennbar, welche sich aus den bei der Prägung entstehenden veränderten Höhen ergeben.
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Die Anmelderin behält sich vor, sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale als erfindungswesentlich zu beanspruchen, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. Es wird weiterhin darauf hingewiesen, dass in den einzelnen Figuren auch Merkmale beschrieben wurden, welche für sich genommen vorteilhaft sein können. Der Fachmann erkennt unmittelbar, dass ein bestimmtes in einer Figur beschriebenes Merkmal auch ohne die Übernahme weiterer Merkmale aus dieser Figur vorteilhaft sein kann. Ferner erkennt der Fachmann, dass sich auch Vorteile durch eine Kombination mehrerer in einzelnen oder in unterschiedlichen Figuren gezeigter Merkmale ergeben können.
