DE19646331C2

DE19646331C2 - Verfahren zur lokalen plastischen Verformung durch einen Laser

Info

Publication number: DE19646331C2
Application number: DE19646331A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lenk
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1996-11-09
Filing date: 1996-11-09
Publication date: 2000-08-10
Anticipated expiration: 2016-11-10
Also published as: DE19646331A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Lasertechnik und betrifft ein Verfahren zur lokalen plastischen Verformung durch einen Laser, wie es z. B. zur Beschriftung oder Markierung oder Strukturierung von Oberflächen oder für die Herstellung von Blindenschrift verwendet werden kann.

Die Strukturierung von Oberflächen mit einem gepulsten Laser zum Zwecke der Beschriftung oder Markierung ist ein bekanntes und vielfach angewendetes Verfahren. Besonders geeignet sind dafür Laser mit Pulslängen im Nanosekunden-Bereich. Durch die hohe Laserpulsleistung und durch eine geeignete Fokussierung lassen sich Leistungsdichten im Bereich von 10⁷ bis 10⁹ W/cm² auf einer Werkstückoberfläche erreichen.

Derartige Leistungsdichten bewirken die Zündung eines dichten Plasmas auf der Oberfläche, das neben der eigentlichen Laserstrahlung einen hohen Energieeintrag in das Werkstück garantiert. Die absorbierte Energie führt zu einer starken lokalen Aufheizung sowie zu einem Abtragen von Material aus der Werkstückoberfläche. Es kommt also zu einer Veränderung der Oberflächenmorphologie durch Materialabtrag.

Bekannt ist aus der DE 195 37 177 A1 eine Kunststoffkarte in Form einer Ausweiskarte, Telefonkarte, Kreditkarte, Krankenversicherungskarte etc. Diese Karte weist eine Reliefstruktur in Form von tastbaren, erhabenen alphanumerischen Informationen als Braille-Schrift auf. Die Reliefstruktur wird mittels eines Lasers hergestellt, wobei die flächenmäßige Verteilung der Energiedosis in die Braille-Punkte dem Höhenprofil der Punkte entspricht.

Weiterhin bekannt ist aus der DE 37 31 853 A1 eine mehrschichtige als Druckstock verwendbare Ausweiskarte und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Herstellung der Zeichen auf der Ausweiskarte erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Verfahrensschritt wird der Kartenkörper in den Bereichen, in denen die Zeichen einzubringen sind, zur Bildung eines sich über die restliche Kartenoberfläche erhebenden flächigen Plateaus verformt und durch Aufbringen zusätzlicher Schichten in seiner Dicke vergrößert. Im zweiten Verfahrensschritt wird im Bereich des Plateaus mindestens eine Kunststoffschicht des Kartenkörpers zur Ausbildung der den Zeichen entsprechenden Reliefstruktur lokal unter Einwirkung eines Laserstrahls in ihrem Volumen vergrößert.

Durch die bekannten Verfahren können erhabene Strukturen (Reliefs) also nur durch Abtragen der umgebenden Flächen oder durch optisch transparente Schichten erzeugt werden. Diese Verfahren sind, wenn überhaupt anwendbar, sehr aufwendig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein direktschreibendes Laser-Verfahren zur Erzeugung erhabener Strukturen (Reliefs) anzugeben.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur lokalen plastischen Verformung durch einen Laser, wird in die Oberfläche eines Verbundwerkstoffes, bestehend aus einem Substrat und einer mit dem Substrat kraftschlüssig verbundenen plastisch verformbaren Deckschicht, wobei das Substrat einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt und/oder Komponenten enthält, die eine geringe Verdampfungstemperatur besitzen, und wobei die Deckschicht eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, ein Energieeintrag in das Substrat für eine lokale, thermisch induzierte Expansion durch einen fokussierten Laserstrahl durchgeführt.

Vorteilhafterweise wird als Deckschicht eine Al-Folie eingesetzt.

Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn als Substrat Papier oder Pappe eingesetzt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch eine programmierbare 2D-Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Verbundwerkstoffoberfläche beliebige lokale plastische Verformungen, die verschiedene Oberflächenprofile ergeben, erzeugt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird durch einen fokussierten Laserstrahl das Substrat durch die Deckschicht hindurch erhitzt. In dem Substrat wird damit eine starke lokale Ausdehnung und/oder die Verdampfung einer Komponente mit einer niedrigen Verdampfungstemperatur bewirkt. Diese Ausdehnung oder die Ansammlung der gasförmigen Komponenten führt zu einer plastischen Verformung der Deckschicht, die dauerhaft ist, wobei die lokale Ausdehnung des Substrates nach dem Energieeintrag zurückgehen kann.

Dabei dient bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Substrat als Stütze für die Deckschicht und verhindert weiterhin die schnelle Ableitung der gasförmigen Komponenten von der lokalen Erhitzungsstelle.

Mittels einer 2D-Laserstrahl-Ablenkeinheit (Scanner) oder einem motorisierten x,y-Tisch kann eine steuerbare Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und der Verbundwerkstoffoberfläche realisiert werden, die frei programmierbare Oberflächenprofile auf dem Verbundwerkstoff erzeugen kann.

Somit wird ein direktschreibendes Laser-Verfahren zur Erzeugung erhabener Strukturen (Reliefs) ermöglicht, daß folgende wesentliche Vorteile gegenüber dem auf einem Materialabtrag basierenden Laser-Verfahren hat:

- hohe Effektivität, da nur die erwünschten Strukturen bestrahlt werden müssen,
- hoher energetischer Wirkungsgrad, da kein Materialabtrag durch Verdampfen/Plasmabildung notwendig ist,
- die Oberflächenqualität bleibt weitgehend erhalten, da es nur zu einer plastischen Verformung kommt.

Die Erfindung wird nun an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine zu Verpackungszwecken gebräuchliche kaschierte Pappe, die mit Aluminium beschichtet ist, mit reliefartigen Strukturen versehen. Die Aluminium-Deckschicht ist für den Laser (λ = 1,06 µm) nicht transparent, die hohe Wärmeleitfähigkeit des Aluminium sorgt jedoch dafür, daß die Pappe sich erwärmt. Diese Erwärmung führt zu einer lokalen Verdampfung der Restfeuchtigkeit der Pappe, die wiederum eine lokale Aufwölbung (plastische Verformung) der Aluminiumschicht zur Folge hat. Dieser Effekt kann mit einem cw- angeregten Nd-YAG-Laser, wie er üblicherweise in Beschriftungsanlagen integriert ist, erreicht werden. Typische Parameter zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:

- Laserleistung: 10. . .100 W
- Vorschubgeschwindigkeit: 1. . .10 mm/s
- Fokusdurchmesser: < 0,5 mm

Claims

1. Verfahren zur lokalen plastischen Verformung durch einen Laser, bei dem in die Oberfläche eines Verbundwerkstoffes, bestehend aus einem Substrat und einer mit dem Substrat kraftschlüssig verbundenen plastisch verformbaren Deckschicht, wobei das Substrat einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt und/oder Komponenten enthält, die eine geringe Verdampfungstemperatur besitzen, und wobei die Deckschicht eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, ein Energieeintrag in das Substrat für eine lokale, thermisch induzierte Expansion durch einen fokussierten Laserstrahl durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Deckschicht eine Al-Folie eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Substrat Papier oder Pappe eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem durch eine programmierbare 2D- Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Verbundwerkstoffoberfläche beliebige lokale plastische Verformungen, die verschiedene Oberflächenprofile ergeben, erzeugt werden.