DE19637255C1 - Indirect laser marking of transparent material e.g. glass - Google Patents

Indirect laser marking of transparent material e.g. glass

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Abstract

Indirect laser inscription of transparent materials involves: (a) using a substrate material of silicate and oxidic and/or non-oxidic substrate particles and a mixed organic binder of vaporisation temperature lower than the particle melting temperature; (b) directing the laser radiation through the transparent material onto a substrate body which consists of or is coated with the substrate material and which is spaced by a distance greater than zero from the transparent material, the transparent material being highly transparent and the substrate material being highly absorbent wrt. the laser radiation; and (c) heating the binder to its vaporisation temperature in the irradiated region and ejecting and transporting substrate particles from the substrate material to the surface region of the transparent material, these substrate particles being heated and melted for sintering to the surface when they move into the radiation region and being cooled when they move outs ide the radiation region.

Description

Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Verfahren zum Beschriften von Materialien bekannt, wobei unter dem Begriff: "Beschriften" jegliches Auf- oder Einbringen von graphischen Mustern, Zeichen oder Markierungen verstanden werden soll.A large number of methods for labeling are known from the prior art of materials known, under the term: "labeling" any Application or introduction of graphic patterns, characters or markings should be understood.

Aus der DD 2 15 776 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung farbiger Bilder auf Glas bekannt, bei welchem eine auf die Glasoberfläche aufgebrachte Diffusionsfarbe mittels energiereicher fokussierter Strahlung gleichzeitig mit der Glasoberfläche lokal erhitzt wird. Dabei wird die Glasoberfläche aufgeschmolzen und die Diffusionsfarbe konvektiv in das geschmolzene Glas eingemischt. Dieses Verfahren verlangt eine stets optimale Einstellung der Laserleistung und des Vorschubes, damit das Glas im Oberflächenbereich lediglich schmilzt und nicht verdampft. Um das Entstehen von Haarrissen und Deformationen zu vermeiden, muß die thermische Belastung klein bleiben. Nach der Laserbearbeitung wird die überschüssige Diffusionsfarbe z. B. durch Ablösen, Abstreifen oder Abwischen zurückgewonnen.DD 2 15 776 A1 describes a method for producing colored images Glass known, in which one applied to the glass surface Diffusion color using high-energy focused radiation at the same time the glass surface is heated locally. The glass surface melted and the diffusion color convectively into the melted glass mixed in. This procedure always requires an optimal setting of the Laser power and the feed so that the glass in the surface area only melts and does not evaporate. About hairline cracks and To avoid deformations, the thermal load must remain small. After the laser processing, the excess diffusion color z. B. by Removed, stripped or wiped back.

Nachteilig an diesem Verfahren ist der relativ hohe Zeitaufwand, der erforderlich ist für das Auftragen und Entfernen der Diffusionsfarbe, sowie das lokale Zerstören der Glasoberfläche, bedingt durch das Schmelzen und die damit verbundene Entstehung von Spannungen im Glas.A disadvantage of this method is the relatively high expenditure of time is required for the application and removal of the diffusion paint, as well as that local destruction of the glass surface due to the melting and the associated tension in the glass.

In der DD 2 21 401 A1 ist ein Verfahren zur Oberflächenstrukturierung beliebiger Materialien beschrieben, bei welchem es zu keiner Strukturänderung innerhalb des Oberflächenbereiches kommt. Ein für Laserstrahlung durchlässiger, mit einem Strukturmaterial beschichteter Träger wird mit der zu strukturierenden Oberfläche derart in Kontakt gebracht, daß an den durch den Träger hindurch belichteten Stellen durch die Energiezufuhr das Strukturmaterial auf die zu strukturierende Oberfläche übertragen wird. Die Übertragung erfolgt, indem das Strukturmaterial im Strahlungsbereich aufgeschmolzen und an der zu strukturierenden Oberfläche angelagert wird.DD 2 21 401 A1 describes a method for surface structuring any materials described, in which there is none Structural change within the surface area comes. One for Laser-transmissive support coated with a structural material is brought into contact with the surface to be structured in such a way that at the locations exposed through the support by the energy supply the structural material is transferred to the surface to be structured. The transfer takes place by placing the structural material in the radiation area melted and attached to the surface to be structured.

Damit sich das Strukturmaterial tatsächlich an der Oberfläche ablöst, kann die Schichtdicke nur sehr gering sein, so daß der beschichtete Träger nur einmalig bzw. wenige Male verwendet werden kann, da der Träger nach Durchführung des Verfahrens in den mit Laserstrahlung beaufschlagten Bereichen kein Strukturmaterial mehr aufweist. Ein Nachteil des Verfahrens liegt in der Notwendigkeit des unmittelbaren Kontaktes zwischen dem Träger und der Oberfläche. Darüber hinaus ist eine Variation der Strukturlinienbreite nur über eine Veränderung des auftreffenden Strahlungsquerschnittes möglich.So that the structural material actually detaches from the surface, the Layer thickness should only be very small, so that the coated carrier only once  or can be used a few times because the carrier after Implementation of the procedure in those exposed to laser radiation Areas no longer has structural material. A disadvantage of the process lies in the need for direct contact between the wearer and the surface. In addition, there is a variation in the structure line width only by changing the incident radiation cross-section possible.

Kein Kontakt zwischen dem Träger und der zu beschichtenden Oberfläche besteht bei dem in der US 4,752,455 offenbarten Verfahren. Eine Substratscheibe aus transparentem Material ist mit einem dünnen Film eines Leiter- oder Halbleitermaterials beschichtet, auf welchem durch die Substratscheibe hindurch eine Impulslaserstrahlung fokussiert wird. In Abhängigkeit vom Material sind die Schichtdicke, die Laserleistung und Pulsdauer so gewählt, daß es zur vollständigen Verdampfung des Filmmaterials an der mit Laserstrahlung beaufschlagten Stelle kommt. Die entstehende Dampfwolke "explodiert" in Richtung der Strahlungsachse und lagert sich auf der zu beschichtenden Oberfläche ab, welche in einem Abstand zum Substrat angeordnet ist.No contact between the carrier and the surface to be coated exists in the method disclosed in US 4,752,455. A Substrate disk made of transparent material is one with a thin film Coated conductor or semiconductor material, on which by the A pulse laser radiation is focused through the substrate wafer. In Depending on the material, the layer thickness, the laser power and Pulse duration chosen so that there is complete evaporation of the film material comes at the point exposed to laser radiation. The emerging Steam cloud "explodes" in the direction of the radiation axis and is superimposed from the surface to be coated, which is at a distance from the substrate is arranged.

Wie in der DD 2 21 401 A1 kommt es auch hier zum vollständigen Materialabtrag an der bestrahlten Stelle, so daß die Substratscheibe nur einmalig verwendet werden kann.As in DD 2 21 401 A1, this is also complete Material removal at the irradiated point, so that the substrate disc only can be used once.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zu finden, bei welchem mit minimalem Material- und Zeiteinsatz ein transparentes Material dauerhaft beschriftet werden kann, ohne seine Oberflächenstruktur zu zerstören.The invention has for its object to find a method which is a transparent material with minimal use of material and time can be permanently labeled without losing its surface structure to destroy.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum indirekten Beschriften von transparenten Materialien gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind aus den Unteransprüchen zu entnehmen.This task is accomplished with a method for indirect labeling of transparent materials according to claim 1 solved. Beneficial Explanations can be found in the subclaims.

In Abhängigkeit von den Materialeigenschaften des zu beschriftenden transparenten Materials, insbesondere seiner Schmelztemperatur und Absorptionscharakteristik, wird ein für das Verfahren geeignetes Substratmaterial, bestehend aus silikatisch-oxidischen und/oder silikatisch­ nichtoxidischen Substratteilchen und einem Bindemittel, sowie ein Laser geeigneter Leistung und Wellenlänge ausgewählt. Dabei ist entscheidend, daß die vom Laser emittierte Wellenlänge durch das transparente Material möglichst vollständig transmittiert, um einerseits eine thermische Belastung des Materials zu vermeiden und andererseits die Energieverluste so gering wie möglich zu halten. Hingegen soll das Substratmaterial diese Wellenlänge möglichst vollständig absorbieren, damit die Strahlungsenergie maximal in Wärmeenergie umgesetzt schnell zur Erreichung der Verdampfungstemperatur des Bindemittels führt, die geringer ist als die Schmelztemperatur der Substratteilchen. Das Substratmaterial kann als Schicht auf einem Träger aufgebracht sein oder in Form einer Folie oder eines anderen flächig ausgedehnten Substratkörpers vorliegen.Depending on the properties of the material to be labeled transparent material, especially its melting temperature and  Absorption characteristics, is a suitable for the process Substrate material consisting of silicate-oxidic and / or silicate non-oxide substrate particles and a binder, as well as a laser suitable power and wavelength selected. It is crucial that the wavelength emitted by the laser through the transparent material transmitted as completely as possible, on the one hand, to a thermal load to avoid the material and on the other hand the energy losses as low as to keep possible. In contrast, the substrate material should have this wavelength absorb as completely as possible so that the radiant energy is maximal in Thermal energy quickly implemented to reach the evaporation temperature of the binder leads, which is lower than the melting temperature of the Substrate particles. The substrate material can be a layer on a support be applied or flat in the form of a film or other extended substrate body.

Zur Durchführung des Verfahrens wird die Laserstrahlung auf das zu beschriftende transparente Material gerichtet, durchdringt das transparente Material und trifft anschließend auf die Oberfläche des aus Substratmaterial bestehenden oder mit diesem beschichteten Körper, die in einem Abstand größer Null unterhalb des transparenten Materials angeordnet ist.To carry out the method, the laser radiation is directed towards the labeling transparent material, penetrates the transparent Material and then hits the surface of the substrate material existing or coated with this body that at a distance greater than zero is arranged below the transparent material.

Die von dem Substratmaterial absorbierte Laserstrahlungsenergie führt zu einer auf die beaufschlagte Fläche begrenzten Erwärmung und nach Überschreitung der Verdampfungstemperatur des Bindemittels zu dessen Verdampfung. Mit der Verdampfung des Bindemittels werden die bis dahin gebundenen Substratteilchen explosionsartig aus dem Substratmaterial herausgeschleudert und in den Bereich der Oberfläche des transparenten Materials transportiert. Die Substratteilchen, die sich im Bereich der Laserstrahlung bewegen und auf der Oberfläche im Strahlungsquerschnitt auftreffen, werden durch die starke Erhitzung angeschmolzen, so daß es zu einem Aufsinterungsprozeß auf der Oberfläche kommt. Diese Substratteilchen weisen eine hohe Haftfestigkeit auf, während Substratteilchen, die außerhalb des Strahlungsquerschnitts auf die Oberfläche auftreffen, nicht haften bzw. leicht entfernbar sind. Je höher die Energiedichte im Strahlungsquerschnitt auf der zu beschriftenden Oberfläche ist, desto höher ist die Haftfestigkeit und je kleiner dieser Querschnitt ist, desto schmaler wird die Linienstruktur. Für eine Beschriftung hoher Haftfestigkeit und schmaler Linienstruktur ist es daher von Vorteil, die Laserstrahlung auf der zu beschriftenden Oberfläche zu fokussieren.The laser radiation energy absorbed by the substrate material leads to heating limited to the exposed area and after Exceeding the evaporation temperature of the binder Evaporation. With the evaporation of the binder they will be until then bound substrate particles explosively from the substrate material flung out and into the area of the surface of the transparent Transported materials. The substrate particles that are in the range of Laser radiation move and on the surface in the radiation cross section striking, are melted by the strong heating, so that it too a sintering process on the surface. These substrate particles have high adhesive strength, while substrate particles that are outside of the radiation cross section hit the surface, do not adhere or are easily removable. The higher the energy density in the radiation cross-section the surface to be labeled, the higher the adhesive strength and the more the smaller this cross-section, the narrower the line structure. For one  Inscription with high adhesive strength and narrow line structure is therefore from Advantage of the laser radiation on the surface to be labeled focus.

Durch die gezielte Führung der Laserstrahlung bildet sich eine Schichtstruktur, die entsprechend der Richtung der Relativbewegung zwischen Laserstrahlung und Material der Form der gewünschten Beschriftung entspricht. Je kleiner der Abstand zwischen der zu beschriftenden Oberfläche und dem Substratmaterial ist, desto weniger Substratteilchen werden außerhalb des Strahlungsquerschnittes auf der Oberfläche abgelagert.The targeted guidance of the laser radiation forms a layer structure, which correspond to the direction of the relative movement between laser radiation and material corresponds to the shape of the desired label. The smaller the distance between the surface to be labeled and the Is substrate material, the fewer substrate particles are outside the Radiation cross-section deposited on the surface.

Die besonderen Vorteile dieses Verfahrens liegen in dem geringen Zeitaufwand und dem effektiven Materialeinsatz des Substratmaterials, da dieses fast vollständig zur Beschichtung verwendet werden kann. Im Gegensatz zu dem Träger gemäß DD 2 21 401 A1, auf welchem das Substratmaterial als Schicht aufgetragen ist, kann hier der Substratkörper vollständig aus dem Substratmaterial bestehen und ist damit vielfach verwendbar.The particular advantages of this method are the low level Time and the effective use of the substrate material, because this can be used almost completely for coating. in the Contrary to the carrier according to DD 2 21 401 A1, on which the The substrate body can be applied as a layer here consist entirely of the substrate material and is therefore multiple usable.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es soll eine Planplatte aus Alkali-Erdalkali-Silicatglas beschriftet werden. Unterhalb der Planplatte wird im Abstand von 1 mm eine nach dem Foliengießverfahren hergestellte, ungebrannte Keramikfolie (Grünfolie) angeordnet, bestehend aus 94% Al₂O₃ sowie 6% MnO, Fe₂O₃, SiO und Ca. Die Bestrahlung erfolgt mit einem Nd-YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1,06 µm, wobei die Strahlung auf der, der Keramikfolie zugewandten Seite der Planplatte, fokussiert wird. Der Strahlquerschnitt weist entsprechend auf dieser zu beschichtenden Fläche die höchste Energiedichte auf. Das weiterverlaufende divergente Strahlenbündel trifft im Abstand von 1 mm auf die Keramikfolie, wo schlagartig der Verdampfungsprozeß einsetzt, infolgedessen die Al₂O₃ Teilchen aus dem Materialverbund herausgerissen werden und in den Bereich der Planplattenoberfläche kommen. Dabei werden die Al₂O₃-Teilchen, die in den Bereich des Fokus kommen, erhitzt, angeschmolzen und auf der Plattenoberfläche aufgesintert. Die Teilchen, die nicht in den Fokusbereich kommen, besitzen eine wesentlich geringere Temperatur und sind von der Plattenoberfläche anschließend leicht entfernbar. Die im Fokus abgelagerten Teilchen bilden hingegen eine kratzfeste und beständige Schichtstruktur.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment will. A flat plate made of alkali-alkaline earth silicate glass is to be labeled will. Below the faceplate, one after the other, at a distance of 1 mm Unfired ceramic film (green film) arranged consisting of 94% Al₂O₃ and 6% MnO, Fe₂O₃, SiO and Ca. The irradiation is carried out with an Nd-YAG laser with a wavelength of 1.06 µm, the radiation on the side facing the ceramic film the flat plate, is focused. The beam cross section has accordingly of the surface to be coated has the highest energy density. The Diverging bundles of rays continue to strike at a distance of 1 mm the ceramic film, where the evaporation process begins suddenly, as a result, the Al₂O₃ particles torn out of the composite and come in the area of the faceplate surface. In doing so the Al₂O₃ particles that come into the focus area are heated, melted and sintered on the plate surface. The particles that do not come into the focus area, have a much smaller one Temperature and are then light from the plate surface removable. In contrast, the particles deposited in the focus form one scratch-resistant and stable layer structure.

Claims (5)

1. Verfahren zum indirekten Beschriften von transparenten Materialien, bei welchem ein Substratmaterial durch Laserstrahlung örtlich begrenzt erhitzt und auf die Oberfläche des transparenten Materials übertragen wird und die Laserstrahlung relativ zum transparenten Material beweglich ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Substratmaterial aus silikatisch-oxidischen und/oder silikatisch­ nichtoxidischen Substratteilchen und einem Bindemittel aus einer Mischung organischer Hilfsstoffe besteht, wobei die Verdampfungstemperatur des Bindemittels geringer ist als die Schmelztemperatur der Substratteilchen,
daß die Laserstrahlung durch das transparente Material hindurch auf die Oberfläche eines aus dem Substratmaterial bestehenden oder mit diesem beschichteten Substratkörper gerichtet wird, die in einem Abstand größer Null vom transparenten Material entfernt angeordnet ist, wobei die Laserstrahlung eine Wellenlänge aufweist, für welche das transparente Material möglichst hoch transparent und das Substratmaterial möglichst hoch absorbierend ist,
daß das Bindemittel im Bestrahlungsbereich auf seine Verdampfungstemperatur erhitzt wird und während dessen Verdampfung die Substratteilchen aus dem Substratmaterial herausgeschleudert und in den Bereich der Oberfläche des transparenten Materials transportiert wird, wobei die sich im Strahlungsbereich bewegenden Substratteilchen weiter erwärmt und angeschmolzen werden, so daß sie auf der Oberfläche angesintert werden, während die sich außerhalb dieses Strahlungsbereichs bewegenden Substratteilchen abkühlen.1. A method for the indirect labeling of transparent materials, in which a substrate material is heated locally by laser radiation and is transferred to the surface of the transparent material and the laser radiation is movable relative to the transparent material, characterized in that
that the substrate material consists of silicate-oxidic and / or silicate-nonoxidic substrate particles and a binder from a mixture of organic auxiliaries, the evaporation temperature of the binder being lower than the melting temperature of the substrate particles,
that the laser radiation is directed through the transparent material onto the surface of a substrate body consisting of or coated with the substrate material, which is arranged at a distance greater than zero from the transparent material, the laser radiation having a wavelength for which the transparent material is as possible highly transparent and the substrate material is highly absorbent,
that the binder is heated to its evaporation temperature in the radiation region and during its evaporation the substrate particles are thrown out of the substrate material and transported into the region of the surface of the transparent material, the substrate particles moving in the radiation region being further heated and melted so that they are on the Surface are sintered while the substrate particles moving outside of this radiation area cool down. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung auf die zu beschichtende Oberfläche des transparenten Materials fokussiert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that that the laser radiation on the surface to be coated transparent material is focused. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung zum transparenten Material und dem Substratkörper hin eine Relativbewegung in Form der gewünschten Beschriftung ausführt.3. The method according to claim 1, characterized in  that the laser radiation to the transparent material and the Substrate body a relative movement in the form of the desired Caption executes. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratkörper eine keramische Grünfolie ist.4. The method according to claim 1, characterized in that the substrate body is a ceramic green sheet. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Grünfolie im wesentlichen aus Al₂O₃ besteht.5. The method according to claim 4, characterized in that the ceramic green sheet consists essentially of Al₂O₃.
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