DE19517625A1 - Laser printing esp. on glass or plastic substrate - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum musterförmigen Bedrucken fester Substratoberflächen mit Hilfe eines Laserstrahles und unter Verwendung wenigstens eines Pigmentes.The invention relates to a method for pattern-like printing of solid substrate surfaces using a laser beam and using at least one pigment.
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.The surfaces of solid substrates, such as objects made of glass, plastic, porcelain or ceramics, are often printed for a wide variety of purposes. This printing may be used for decorative purposes, for labeling purposes or for advertising purposes, d. H. from pure optical reasons or serve a technical purpose, such as for surface protection, for the production of conductive or reflective coatings. The The invention is not intended to be limited to a specific purpose of printing.
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. The printing of glass and plastic objects using color pastes or is known Paints that contain dyes or pigments in a binder system. Such Imprints are against solvents and strong acids and alkalis, which the Destroy printing sooner or later, relatively unstable. Even with exposure Common detergent over long periods of time will change the appearance of such prints impaired, so that they can not be called dishwasher safe.
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.In addition, printing with such color pastes is complex and widely used Solvents, which can create a permanent working atmosphere. Color residues of such printing processes are difficult to dispose of, especially if the Printing machines need to be cleaned.
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.Another common method is to etch glass surfaces with hydrofluoric acid. This is a procedure that is questionable due to the safety aspects, since hydrofluoric acid is found in the smallest Concentrations can cause skin and eye burns. Here, too, occur considerable Disposal problems.
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.For labeling plastic objects or foils, it is known to use a pigment, like carbon, to incorporate in an even distribution and the surface of the so to irradiate pigmented plastic object in a pattern with a laser, thereby the inscription appears lighter in the irradiated areas. Such procedures are in "Kunststoffe 83", page 11 (1993) and in European patents 0 190 997, 0 522 370 and 0 330 869. This method cannot be used for glass, porcelain and Ceramic objects, but only apply to plastic objects, and it has the considerable disadvantage that the incorporation of pigments, especially in the case of metal-containing pigments, the properties of the plastic are deteriorated.
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.The object underlying the invention was therefore to develop a method for pattern printing of solid substrate surfaces, such as glass and Plastic, which has the disadvantages of the prior art described above eliminated and in particular leads to permanent printing without the substrate in all of its substances must be incorporated that impair its properties.
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.This object is achieved by the inventive method for pattern printing solid substrate surfaces using a laser beam and using at least solved a pigment, which is characterized in that one at least one Brings the pigment-containing layer into contact with the substrate surface to be printed, irradiated this layer in the form of the pattern to be printed with a laser such that the Laser beam the interface between the substrate surface and the layer with sufficient Energy reaches the pigment or a degradation product of the same on the substrate surface to transfer, and then the layer removed from the substrate surface.
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.If we are talking about a pattern-like printing or a pattern, this should be Label have the broadest possible meaning and all letters, numbers and others Characters, ornaments, decorations and the like.
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.It is surprising that with the method according to the invention a clean printing of the Substrate surfaces is achieved without the layer of a substrate surface entirely or partially sticks or smeared the printed patterns. The prints are partially acid, alkali and washable and can be used without caustic substances or Solvent must be used.
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.The pigment-containing layer can contain a pigment-containing film, such as a plastic film evenly distributed fine-particle pigment, a pigment powder layer, a pigment film, which consists entirely of the pigment, or a pigment varnish, which is the finely divided pigment contained in a binder. The layer in the form of a is particularly advantageous pigment-containing film, as this is easily applied to curved substrate surfaces and can be removed from the surfaces on the printing. One from the Pigment material consisting of pigment material is and is particularly suitable for metal foils for example an aluminum foil. Pigment coatings are applied in the usual way printed surface and chemically or physically on the surface dried. After printing, these pigmented varnishes must be removed so that the The binders of these pigment lacquers must be soluble and remain soluble during laser irradiation have to. It is advisable to use water-soluble binders so that none when dissolved need to use organic solvents.
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.Carbon, metal compounds and metals come into consideration as pigments. At The use of metal compounds decompose them during the radiation process Formation of metal or metal oxide or another degradation product of the metal compound, which are transferred to the surface of the substrate. In this context, none Specific theory, but it is currently believed that The use of metal compounds, as a rule, creates and transmits elementary metal becomes. One can thus, for example, print using the method according to the invention Apply circuitry to glass surfaces or other substrate surfaces or such surfaces provided with electrically conductive or thermally conductive printing for other purposes. It is also surprising that the prints adhere very firmly to the substrate surface probably diffuse into the substrate surface during the printing process and itself are resistant to strong acids and bases. In particular, are suitable for the inventive method heavy metal compounds including noble metal compounds, like gold phosphate and silver phosphate. The use of an aluminum foil leads to a Printing in the form of an etching-like haze, while carbon and the Heavy metals lead to dark-colored, such as black, reddish or brownish, patterns. With the aid of a few series tests, the average specialist can use the here made description of the inventive method are selected, which Pigments are suitable and respond to certain available lasers.
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.Depending on the type of substrate used, the laser radiation can pass through the substrate through or from the coating side. With a transparent substrate, such as a glass object, it is expedient to pass the laser radiation through the glass to make. The same applies to translucent plastic objects. In other cases, especially if the object to be printed is not sufficiently translucent it may be expedient to carry out the laser radiation from the side of the coating. In this case, however, the pigment-containing layer must be thin enough to use the laser sufficient energy up to the interface between the substrate surface and the let through the pigment-containing layer.
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.The method according to the invention is not intended to use special types of lasers be limited. All common laser types, such as Nd-YAG lasers, excimer Lasers, nitrogen lasers, CO and CO₂ lasers and other known gas lasers. It is expedient to use lasers that emit light with a wavelength of 100 nm to 20 µm, preferably emit from 150 to 1200 nm. Frequency doubled are particularly preferred Nd-YAG laser with a wavelength of approximately 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.The method according to the invention can be used for printing any solid substrate surfaces are used, with smooth substrate surfaces being particularly useful. As For example, substrates come from objects made of glass, porcelain, ceramic, stone, plastic or other materials that do not carbonize when exposed to laser beams. The method is particularly suitable for printing on glass and plastic, in particular of glass, where so far no process with comparable effect is available and the Properties of the printing are particularly surprising.
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. In addition to applying markings and decorative elements, this is also suitable Method according to the invention, as mentioned, in particular for printing with electrically conductive tracks, which makes complex galvanic processes unnecessary. Also galvanically applied conductor tracks can be reinforced using this method.
Andererseits können reflektierende Bedruckungen oder Oberflächenschutzbedruckungen aufgebracht werden.On the other hand, reflective prints or surface protection prints be applied.
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.The following examples serve to further explain the invention.
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.TiO₂ powder was in a uniform smooth layer under a thickness of about 1 mm Distributed glass plate (window glass). With the help of an Nd-YAG laser with a wavelength of 1064 nm and a writing speed of 50 mm / s was a labeling beam through the Point the glass through the powder. The black writing on the glass plate was resistant to concentrated hydrochloric acid and sodium hydroxide solution as well as ethanol.
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.A commercially available soot-containing film was placed under a glass plate with a thickness of 2 mm placed. Using an Nd-YAG laser with a wavelength of 1064 nm and one Writing speed of 50 mm / s was a label beam through the glass aimed at the slide. A was created on the glass plate in accordance with the laser beam guidance black writing, in concentrated hydrochloric acid and sodium hydroxide solution and against alcohol was constant.
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.A polyurethane plate containing 1% copper hydroxide phosphate was placed under a 1 mm strong glass plate. As in Examples 1 and 2, was passed through the glass plate the laser beam is aimed at the pigmented polyurethane plate. The resulting red-brown Writing was acid-soluble but alcohol-resistant.
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. An anodized aluminum plate with a black surface was placed under a 1 mm thick Glass plate placed. The label beam was through as in the previous examples the glass directed towards the aluminum plate, with a white, etching-like writing originated.
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.An approximately 0.1 mm thick layer of powder of silver phosphate was placed on a porcelain plate equally distributed. With the help of an Nd-YAG laser with a wavelength of 1064 nm and a writing speed of 50 mm / s as in the previous examples this time the laser beam is directed from the coating side onto the powder. To Removal of the powder from the surface of the porcelain plate showed a reddish writing.
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.A 1 mm thick layer of silver phosphate was applied to a uniformly thick layer of powder transparent polyurethane plate. Using the in the previous examples called laser was a labeling beam with a wavelength of 1064 nm Writing speed of 50 mm / s through the polyurethane plate onto the Layer of powder directed. A shiny metallic pattern was created on the polyurethane plate.
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.On an even, even layer of trituration of gold chloride with tricalcium phosphate a 1 mm thick glass plate was placed. The irradiation was carried out as in Example 1 by the Glass plate through to the powder layer. There was a red-brown against hydrochloric acid permanent lettering on the glass plate.
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