DE19517625A1 - Verfahren zum musterförmigen Bedrucken fester Substratoberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum musterförmigen Bedrucken fester Substratoberflächen mit Hilfe eines Laserstrahles und unter Verwendung wenigstens eines Pigmentes.

Die Oberflächen von festen Substraten, wie von Gegenständen aus Glas, Kunststoff, Porzellan oder Keramik, werden häufig zu den unterschiedlichsten Zwecken bedruckt. Diese Bedruckung kann zu dekorativen Zwecken, zu Kennzeichnungszwecken oder Werbezwecken, d. h. aus rein optischen Gründen erfolgen oder aber einen technischen Zweck erfüllen, wie beispielsweise für einen Oberflächenschutz, zur Erzeugung leitfähiger oder reflektierender Beschichtungen. Die Erfindung soll nicht auf ein bestimmtes Ziel der Bedruckung beschränkt sein.

Bekannt ist das Bedrucken von Glas- und Kunststoffgegenständen mittels Farbpasten oder Lacken, die Farbstoffe oder Pigmente in einem Bindemittelsystem enthalten. Solche Bedruckungen sind gegenüber Lösungsmitteln und starken Säuren und Laugen, die die Bedruckung über kurz oder lang zerstören, verhältnismäßig unbeständig. Selbst bei Einwirkung üblicher Spülmittel über längere Zeiträume wird das Aussehen solcher Bedruckungen beeinträchtigt, so daß diese nicht als geschirrspülmaschinenecht bezeichnet werden können.

Darüber hinaus ist das Bedrucken mit solchen Farbpasten aufwendig und verwendet vielfach Lösungsmittel, was eine Dauerschäden erzeugende Arbeitsatmosphäre schaffen kann. Farbreste solcher Druckverfahren sind aufwendig zu entsorgen, insbesondere wenn die Druckmaschinen gereinigt werden müssen.

Ein weiteres gängiges Verfahren ist das Ätzen von Glasoberflächen mit Flußsäure. Dieses ist ein aufgrund der Sicherheitsaspekte bedenkliches Verfahren, da Flußsäure bereits in kleinsten Konzentrationen zu Verätzungen der Haut und Augen führen kann. Auch hier treten erhebliche Entsorgungsprobleme auf.

Zum Beschriften von Kunststoffgegenständen oder -folien ist es bekannt, diesen ein Pigment, wie Kohlenstoff, in gleichmäßiger Verteilung einzuverleiben und die Oberfläche des so pigmentierten Kunststoffgegenstandes musterförmig mit einem Laser zu bestrahlen, wodurch an den bestrahlten Stellen die Beschriftung heller erscheint. Solche Verfahren sind in "Kunststoffe 83", Seite 11 (1993) und in den europäischen Patentschriften 0 190 997, 0 522 370 und 0 330 869 beschrieben. Dieses Verfahren läßt sich nicht bei Glas-, Porzellan- und Keramikgegenständen, sondern nur bei Kunststoffgegenständen anwenden, und es hat den erheblichen Nachteil, daß durch die Einlagerung von Pigmenten, insbesondere im Falle von metallhaltigen Pigmenten, die Eigenschaften des Kunststoffes verschlechtert werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand daher darin, ein Verfahren zum musterförmigen Bedrucken fester Substratoberflächen, wie insbesondere von Glas und Kunststoff, zu bekommen, das die oben geschilderten Nachteile des Standes der Technik beseitigt und insbesondere zu einer dauerhaften Bedruckung führt, ohne daß dem Substrat in seiner Gesamtheit Stoffe einverleibt werden müssen, die seine Eigenschaften beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zum musterförmigen Bedrucken fester Substratoberflächen mit Hilfe eines Laserstrahles und unter Verwendung wenigstens eines Pigmentes gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man eine das wenigstens eine Pigment enthaltende Schicht in Berührung mit der zu bedruckenden Substratoberfläche bringt, diese Schicht in der Form des zu druckenden Musters mit einem Laser derart bestrahlt, daß der Laserstrahl die Grenzfläche zwischen der Substratoberfläche und der Schicht mit ausreichender Energie erreicht, um das Pigment oder ein Abbauprodukt desselben auf die Substratoberfläche zu übertragen, und die Schicht anschließend von der Substratoberfläche entfernt.

Wenn hier von einer musterförmigen Bedruckung oder einem Muster die Rede ist, so soll diese Bezeichnung die breitestmögliche Bedeutung haben und alle Buchstaben, Zahlen und anderen Zeichen, Ornamente, Dekorationen und dergleichen umfassen.

Es ist überraschend, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine saubere Bedruckung der Substratoberflächen erzielt wird, ohne daß die Schicht einer Substratoberfläche ganz oder teilweise zum Anhaften kommt oder die gedruckten Muster verschmiert. Die Bedruckungen sind teilweise säure-, lauge- und waschfest und lassen sich, ohne daß ätzende Substanzen oder Lösungsmittel verwendet werden müssen, erzielen.

Die Pigment enthaltende Schicht kann eine pigmenthaltige Folie, wie eine Kunststoffolie mit gleichmäßig darin verteiltem feinteiligem Pigment, eine Pigmentpulverschicht, eine Pigmentfolie, die vollständig aus dem Pigment besteht, oder ein Pigmentlack, welcher das feinteilige Pigment in einem Bindemittel enthält, sein. Von besonderem Vorteil ist die Schicht in Form einer pigmenthaltigen Folie, da diese leicht auch auf gekrümmten Substratoberflächen aufgebracht und von den Oberflächen an dem Bedrucken wieder entfernt werden kann. Eine ganz aus dem Pigmentmaterial bestehende Pigmentfolie kommt vor allem bei Metallfolien in Betracht und ist beispielsweise eine Aluminiumfolie. Pigmentlacke werden in üblicher Weise auf der zu bedruckenden Oberfläche aufgetragen und chemisch oder physikalisch auf der Oberfläche getrocknet. Nach dem Bedrucken müssen diese Pigmentlacke weggelöst werden, so daß die Bindemittel dieser Pigmentlacke löslich sein und bei der Laserbestrahlung löslich bleiben müssen. Zweckmäßig verwendet man wasserlösliche Bindemittel, um beim Weglösen keine organischen Lösungsmittel benutzen zu müssen.

Als Pigmente kommen Kohlenstoff, Metallverbindungen und Metalle in Betracht. Bei Verwendung von Metallverbindungen zersetzen sich diese beim Bestrahlungsvorgang unter Bildung von Metall oder Metalloxid oder eines anderen Abbauproduktes der Metallverbindung, die auf die Oberfläche des Substrates übertragen werden. In diesem Zusammenhang soll keine Bindung an eine bestimmte Theorie erfolgen, doch wird derzeit angenommen, daß bei Verwendung von Metallverbindungen im Regelfall elementares Metall entsteht und übertragen wird. Man kann somit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise gedruckte Schaltungen auf Glasflächen oder anderen Substratoberflächen aufbringen oder solche Flächen zu anderen Zwecken mit elektrisch leitfähigen oder wärmeleitfähigen Bedruckungen versehen. Überraschend ist auch, daß die Bedruckungen sehr fest auf der Substratoberfläche haften und wohl beim Bedruckungsvorgang in die Substratoberfläche hineindiffundieren und selbst gegenüber starken Säuren und Basen beständig sind. Insbesondere eignen sich für das erfindungsgemäße Verfahren Schwermetallverbindungen einschließlich Edelmetallverbindungen, wie Goldphosphat und Silberphosphat. Die Verwendung einer Aluminiumfolie führt zu einer Bedruckung in Form einer ätzungsähnlichen Trübung, während Kohlenstoff und die Schwermetalle zu dunkelgefärbten, wie schwarzen, rötlichen oder bräunlichen, Mustern führen. Anhand weniger Reihenversuche kann von dem Durchschnittsfachmann auf der Basis der hier vorgenommenen Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgewählt werden, welche Pigmente geeignet sind und auf bestimmte zur Verfügung stehende Laser ansprechen.

Die Laserbestrahlung kann je nach der Art des verwendeten Substrates durch das Substrat hindurch oder von der Beschichtungsseite her erfolgen. Bei einem transparenten Substrat, wie einem Glasgegenstand, ist es zweckmäßig, die Laserbestrahlung durch das Glas hindurch vorzunehmen. Das gleiche gilt für lichtdurchlässige Kunststoffgegenstände. In anderen Fällen, insbesondere wenn der zu bedruckende Gegenstand nicht ausreichend lichtdurchlässig ist, kann es zweckmäßig sein, die Laserbestrahlung von der Seite der Beschichtung her vorzunehmen. In diesem Fall muß aber die Pigment enthaltende Schicht dünn genug sein, um den Laser mit ausreichender Energie bis zu der Grenzschicht zwischen der Substratoberfläche und der pigmenthaltigen Schicht durchzulassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nicht auf die Verwendung spezieller Lasertypen beschränkt sein. So kommen an sich alle üblichen Lasertypen, wie Nd-YAG-Laser, Excimer- Laser, Stickstofflaser, CO- und CO₂-Laser und andere bekannte Gaslaser, in Betracht. Es ist zweckmäßig, Laser zu verwenden, die Licht einer Wellenlänge von 100 nm bis 20 µm, vorzugsweise von 150 bis 1200 nm emittieren. Besonders bevorzugt sind frequenzverdoppelte Nd-YAG-Laser mit einer Wellenlänge von etwa 532 nm.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann an sich zur Bedruckung beliebiger fester Substratober­ flächen verwendet werden, wobei glatte Substratoberflächen besonders zweckmäßig sind. Als Substrate kommen beispielsweise Gegenstände aus Glas, Porzellan, Keramik, Stein, Kunststoff oder anderen bei der Laserstrahleinwirkung nicht verkohlende Materialien in Betracht. Besonders eignet sich das Verfahren zum Bedrucken von Glas und Kunststoff, insbesondere von Glas, wo bislang kein Verfahren mit vergleichbarem Effekt vorhanden ist und die Eigenschaften der Bedruckung besonders überraschend sind.

Außer zur Aufbringung von Markierungen und dekorativen Elementen eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren, wie erwähnt, insbesondere zum Bedrucken mit elektrisch leitfähigen Leiterbahnen, was aufwendige galvanische Verfahren überflüssig macht. Auch können galvanisch aufgebrachte Leiterbahnen nach diesem Verfahren verstärkt werden.

Andererseits können reflektierende Bedruckungen oder Oberflächenschutzbedruckungen aufgebracht werden.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

TiO₂-Pulver wurde in einer gleichmäßigen glatten Schicht unter einer ca. 1 mm dicken Glasplatte (Fensterglas) verteilt. Mit Hilfe eines Nd-YAG-Lasers mit einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Schreibgeschwindigkeit von 50 mm/s wurde ein Beschriftungsstrahl durch das Glas hindurch auf das Pulver gerichtet. Die auf der Glasplatte entstehende schwarze Schrift war gegen konzentrierte Salzsäure und Natronlauge sowie gegen Ethanol beständig.

Beispiel 2

Eine handelsübliche rußhaltige Folie wurde unter eine Glasplatte mit einer Dicke von 2 mm gelegt. Mit Hilfe eines Nd-YAG-Lasers mit einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Schreibgeschwindigkeit von 50 mm/s wurde ein Beschriftungsstrahl durch das Glas hindurch auf die Folie gerichtet. Auf der Glasplatte entstand entsprechend der Laserstrahlführung eine schwarze Schrift, die in konzentrierter Salzsäure und Natronlauge sowie gegen Alkohol beständig war.

Beispiel 3

Eine Polyurethanplatte, die 1% Kupferhydroxidphosphat enthielt, wurde unter eine 1 mm starke Glasplatte gelegt. Wie in den Beispielen 1 und 2 wurde durch die Glasplatte hindurch der Laserstrahl auf die pigmenthaltige Polyurethanplatte gerichtet. Die entstehende rotbraune Schrift war säurelöslich, aber alkoholbeständig.

Beispiel 4

Eine eloxierte Aluminiumplatte mit schwarzer Oberfläche wurde unter eine 1 mm starke Glasplatte gelegt. Der Beschriftungsstrahl wurde wie in den vorausgehenden Beispielen durch das Glas hindurch auf die Aluminiumplatte gerichtet, wobei eine weiße, ätzungsähnliche Schrift entstand.

Beispiel 5

Eine ca. 0,1 mm starke Pulverschicht von Silberphosphat wurde auf einer Porzellanplatte gleichmäßig verteilt. Mit Hilfe eines Nd-YAG-Lasers mit einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Schreibgeschwindigkeit von 50 mm/s wie in den vorausgehenden Beispielen, wurde diesmal der Laserstrahl von der Beschichtungsseite her auf das Pulver gerichtet. Nach Entfernung des Pulvers von der Oberfläche der Porzellanplatte zeigte sich eine rötliche Schrift.

Beispiel 6

Auf eine gleichmäßig dicke ebene Pulverschicht von Silberphosphat wurde eine 1 mm starke durchsichtige Polyurethanplatte gelegt. Mit Hilfe des in den vorausgehenden Beispielen genannten Lasers wurde ein Beschriftungsstrahl einer Wellenlänge von 1064 nm mit einer Schreibgeschwindigkeit von 50 mm/s durch die Polyurethanplatte hindurch auf die Pulverschicht gerichtet. Auf Polyurethanplatte entstand ein metallisch glänzendes Muster.

Beispiel 7

Auf eine gleichmäßige, ebene Schicht einer Verreibung von Goldchlorid mit Tricalciumphosphat wurde eine 1 mm starke Glasplatte gelegt. Die Bestrahlung erfolgte wie im Beispiel 1 durch die Glasplatte hindurch auf die Pulverschicht. Es entstand eine rotbraune gegen Salzsäure beständige Beschriftung auf der Glasplatte.

Claims (8)

1. Verfahren zum musterförmigen Bedrucken fester Substratoberflächen mit Hilfe eines Laserstrahles und unter Verwendung wenigstens eines Pigmentes, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man eine das wenigstens eine Pigment enthaltende Schicht in Berührung mit der zu bedruckenden Substratoberfläche bringt, diese Schicht in der Form des zu druckenden Musters mit einem Laser derart bestrahlt, daß der Laserstrahl die Grenzfläche zwischen der Substratoberfläche und der Schicht mit ausreichender Energie erreicht, um das Pigment oder ein Abbauprodukt desselben auf die Substratoberfläche zu übertragen, und die Pigment enthaltende Schicht anschließend von der Substratober­ fläche entfernt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Pigment Kohlen­ stoff, eine Metallverbindung oder ein elementares Metall verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Pigment eine Schwermetallverbindung verwendet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Pigment enthaltende Schicht eine pigmenthaltige Kunststoffolie, eine Pigmentpulver­ schicht, eine insgesamt aus dem Pigmentmaterial bestehende Folie oder eine Pigmentlackschicht verwendet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Pigment enthaltende Schicht durch das Substrat hindurch bestrahlt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Laser verwendet, der Licht einer Wellenlänge von 100 nm bis 20 µm, vorzugsweise von 150 bis 1200 nm emittiert.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Nd-YAG-Laser, einen Excimer-Laser, einen Stickstofflaser oder einen CO- oder CO₂- Laser verwendet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man als Substrat einen Glas- oder Kunststoffgegenstand verwendet.