DE19983807B4

DE19983807B4 - Vorrichtung zur Oberflächenmarkierung eines festen Substrats

Info

Publication number: DE19983807B4
Application number: DE19983807T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Grimard
Original assignee: Becton Dickinson France SA
Current assignee: Becton Dickinson France SA
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1999-12-07
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2019-12-08
Also published as: WO2000035821A1; AU1567000A; FR2787061A1; FR2787061B1; US20040035824A1; DE19983807T1; US6638440B1; US7115209B2

Abstract

Vorrichtung zur Oberflächenmarkierung eines festen Substrats (1), mit einer Einrichtung (11) zum Bestrahlen des Substrats mit monochromatischem kohärenten Licht (2), einer Lichtquelle (13), einem Kopf (14) zum Projizieren eines Lichtbündels (8) und einem Element (15) zum Steuern, insbesondere zum Modulieren, des Lichtbündels; sowie einer Einrichtung (16, 17) zum Bewegen des Substrats (1) relativ zum Kopf (14) zum Projizieren des Bündels oder umgekehrt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung ferner aufweist:
– eine Einrichtung (12) zur diskreten gezielten Projektion von Druckmaterial auf das Substrat (1), mit einer Quelle (18) des Druckmaterials, einem Projizierkopf (19) für einen Druckmaterialstrahl (9) und einem Element (20) zum Steuern des Strahls;
– eine Steuereinrichtung (21), die mit den Elementen (15, 20) zum Steuern des Lichtbündels (8) und des Strahls (9) verbunden ist und dazu dient, auf dem Substrat (1) – in Abhängigkeit von seiner Position relativ zu den Köpfen (14, 19) zum Projizieren...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Oberflächenmarkierung eines festen Substrats, z. B. Glas.
Heutzutage ist es immer noch schwierig, die Oberfläche von Glassubstraten, z. B. die Außenfläche einer Flasche oder eines Flakons, mit herkömmlichen Einrichtungen, z. B. durch Flexodruck oder Stempelung, zu markieren. Ferner macht der Siebdruck Trocknungs- und/oder Aushärtvorgänge und somit komplexe und kostspielige Einrichtungen erforderlich. Dieses Verfahren geht relativ langsam vonstatten und führt häufig zu inakzeptablen Produktionskosten.
Aus verschiedenen Gründen ist in der Praxis eine mit solchen Einrichtungen ausgeführte dauerhafte Markierung nicht realisierbar:

– die Glasoberfläche bleibt glatt;
– die Druckerfarbe/Druckerfarben weist/weisen eine schlechte Haftung auf der Oberfläche auf, derart, dass bei jeder Reibung die Markierung mindestens teilweise entfernt werden kann.

Man kann die Oberfläche eines festen Substrats, z. B. aus Kunststoff, auch durch Gravieren mit einer Lasereinrichtung, d. h. einem kohärenten monochromatischen Lichtbündel, markieren. Eine solche Drucktechnik führt nicht zwangsläufig zu einer kontrastreichen Markierung, die mit unbewaffnetem Auge richtig lesbar ist. Zur Kontrastverbesserung wird im Falle von Kunststoff vorgeschlagen, Reaktionspartikel in die Kunststoffoberfläche einzubringen. Dies führt häufig zu einer Veränderung der Kunststoffqualität.
In WO 97/44203 A1 ist ein System zur Anbringung von Information auf einem Substrat entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben. Das bekannte System dient zur Anbringung eines Gravurmusters auf einem Fluorpolymersubstrat. Mit einem Laser wird ein Ätzmuster auf dem Substrat erzeugt. Anschließend wird eine geeignete Menge an Tinte auf das Ätzmuster gesprüht, wozu automatisierte Injektionstechniken benutzt werden.
In FR 2 744 066 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Farbe oder ein Pulver aus einem schmelzbaren Material auf einem zuvor durch Lasergravur bearbeiteten Substrat angebracht werden. Anschließend erfolgt eine Bestrahlung des schmelzbaren Materials mit Laserstrahlen, um das Material auf dem Substrat zu fixieren.
In DE 197 17 653 A1 ist eine Vorrichtung zum Aufbringen von Informationen auf ein Werkstück im Tampondruckverfahren beschrieben. Hierbei wird die Oberfläche des Werkstücks in dem Bereich, in dem Farbe aufgetragen werden soll, mittels eines Lasers aufgeraut und anschließend wird die Farbe vom Tampon auf die aufgeraute Fläche aufgebracht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Oberflächenmarkierung eines festen Substrats anzugeben, mit der eine Reproduktion der entsprechenden Zeichen in der Oberfläche des Substrats auf einfache Weise in dauerhafter Form möglich ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Oberflächenmarkierung zeichnet sich durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 aus. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner aufweist:

– eine Einrichtung zur diskreten gezielten Projektion von Druckmaterial auf das Substrat, mit einer Quelle des Druckmaterials, einem Projizierkopf für einen Druckmaterialstrahl und einem Element zum Steuern des Strahls;
– eine Steuereinrichtung, die mit den Elementen zum Steuern des Lichtbündels und des Strahls verbunden ist und dazu dient, auf dem Substrat – in Abhängigkeit von seiner Position relativ zu den Köpfen zum Projizieren des Lichtbündels bzw. des Strahls – an einem gleichen Punkt der Elementfläche nacheinander einen durch einfaches Abschleifen gebildeten Bereich herzustellen, in dem das Druckmaterial aufgenommen wird, und dann das Druckmaterial gezielt auf die vertiefte Oberfläche aufzubringen.

Die Vorrichtung zum Bestrahlen des Substrats mit monochromatischem kohärenten Licht bewirkt einen Bestrahlungsvorgang, bei dem örtlich von dem Substrat Oberflächenmaterial entfernt wird, so dass ununterbrochene oder unterbrochene Vertiefungen in der Substratoberfläche entstehen. Die Vertiefungen in der Oberfläche haben eine Tiefe, die ausreicht, um bei dem nachfolgenden Injizieren des Druckmaterials die erforderliche Druckmaterialmenge aufzunehmen. Die Bestrahlungsbedingungen oder -parameter sind derart gewählt, dass eine dauerhafte Gravur entsteht, bei der Material von der Oberfläche des Substrats entfernt wird, ohne dass das Substrat dabei erodiert. Die Gravur ist nicht von solcher Beschaffenheit, dass sie selbst eine dauerhafte Markierung bildet. Vielmehr entsteht die Markierung erst bei Einbringung des Druckmaterials in die Gravur.
Der Projiziervorgang kann in einer von zwei unterschiedlichen Varianten durchgeführt werden:

– Projizieren mittels einer Flüssigkeit, wobei die Partikel Flüssigkeitstropfen sind, die nach dem Aufbringen, insbesondere nach dem Zusammenfließen und Härten oder Trocknen, ein Druckelement bilden;
– Projizieren mittels Festkörpern, d. h. eines Pulvers, wobei die Partikel feste oder pulverförmige Körnchen sind, die nach dem Aufbringen, d. h. nach dem Anhaften am Substrat, ein Druckelement bilden.

Beim Bestrahlungsvorgang wird das Substrat mit kohärentem monochromatischen Licht oder Laserlicht bestrahlt, so dass über eine ununterbrochene oder unterbrochene vertiefte Oberfläche Material vom Substrat entfernt wird, und zwar unter Bedingungen, einschließlich der Dauer, unter denen die vertiefte Oberfläche auf einen durch einfaches Abschleifen gebildeten Bereich beschränkt wird, der ausreicht, um ein Aufnehmen des nachstehend beschriebene Druckmaterials zu ermöglichen. Das heißt, dass die Bestrahlungsbedingungen oder -parameter hinsichtlich ihrer jeweiligen Werte derart gewählt werden, dass sie ausreichen, um zwecks Herstellung einer dauerhaften Gravur Material von der Oberfläche des Substrats zu entfernen, ohne dass das Substrat dabei erodiert. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Bestrahlung nicht die Herstellung einer Gravur, die selbst eine dauerhafte Markierung des Substrats darstellen kann.
Danach werden beim diskreten, gezielten Projizieren Partikel des Druckmaterials, die nach dem Aufbringen später ein Druckelement bilden, auf die durch den Bestrahlungsvorgang erhaltene Oberfläche projiziert.
Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass die Oberflächenschicht des Substrats durch Einsatz des Laserstrahls dekontaminiert wird, wodurch vor dem Drucken eine vollständig saubere und dekontaminierte vertiefte Oberfläche erhalten wird. Dieser Vorteil ist für Industriezweige, wie die pharmazeutische Industrie, in der ständig im höchstmöglichen Maß dekontaminierte Trägermaterialien benötigt werden, von Bedeutung.
Die vorliegende Erfindung wird jetzt anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht der Oberfläche eines festen Substrats mit einer abgeschliffenen vertieften Oberfläche, auf der gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ein abgegrenztes Zeichen reproduziert ist;
2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung unter denselben Bedingungen wie bei der Darstellung von 1;
3 einen schematischen Querschnitt des in 2 dargestellten Substrats, das gemäß der Erfindung mit einer dauerhaften Markierung versehen ist;
4 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Markiervorrichtung;
5 eine Darstellung einer Markiervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
6 eine dritte Ausführungsform der Erfindung unter denselben Bedingungen wie bei der Darstellung von 1.
Entsprechend den nachstehend beschriebenen 1 und 3 können drei Ausführungsformen der Bedruckung realisiert werden:

– gemäß 1 ist die vertiefte Oberfläche 3 des Substrats 1 gleich groß oder größer als der Bereich, der das zu reproduzierende oder druckende Zeichen 4 umgibt; die vertiefte Oberfläche wird dann Punkt für Punkt mit Partikeln 6 des Druckmaterials beschichtet, so dass, wie in 1 dargestellt, gedruckte Punkte realisiert werden, die in Verbindung miteinander das Zeichen 4 darstellen;
– gemäß 2 und 3 wird das zu reproduzierende Zeichen durch das Nebeneinandersetzen der gedruckten Punkte 7 mit gleicher Elementfläche gebildet, die in einem vorbestimmten Muster entsprechend dem Zeichen 4 miteinander verbunden werden; die Bestrahlung erfolgt durch Bewegen des Substrats 1 relativ zum Bündel des kohärenten monochromatischen Lichts oder umgekehrt durch Ablenkung des Bündels; dieses Bündel, das z. B. mit einem CO₂-Laser, in einer sogenannten Punktmatrix, erzeugt wird, wird gepulst, so dass mehrere oder eine Vielzahl von vertieften Punkten 31 gebildet werden, die in Verbindung miteinander das Zeichen 4 darstellen; dann werden durch Bewegen des Substrats 1 relativ zum Druckmaterialpartikelstrahl oder umgekehrt durch Ablenkung des Strahls nur die vertieften Punkte 31 mit den Partikeln 6 des Druckmaterials beschichtet, so dass schließlich, wie in 2 dargestellt, gedruckte Punkte 7 gebildet werden, die in Verbindung miteinander das Zeichen 4 darstellen;
– gemäß 6 ist die nach dem Bestrahlungsvorgang erhaltene vertiefte Oberfläche 3 mit dem zu reproduzierenden Zeichen identisch und reproduziert dieses, wobei sie von einer oder mehreren ununterbrochenen und/oder unterbrochenen Linien begrenzt wird; dann wird während des Projiziervorgangs die vertiefte Oberfläche Punkt für Punkt mit den Partikeln 6 des Druckmaterials beschichtet, so dass schließlich, wie in 2 dargestellt, gedruckte Punkte 7 auf der gesamten vertieften Oberfläche 3 gebildet sind.

Die vertieften Oberflächen, d. h. die Elementflächen 31 und die gesamte vertiefte Oberfläche 3, die in 1 und 6 dargestellt sind, können auf unterschiedliche Weise ausgebildet werden, nämlich:

– mittels eines Laserstrahls mit relativ großem Querschnitt, der eine Maske durchläuft und dessen Energiedichte den Abmessungen der Markierung angepasst ist; z. B. ist ein gepulster CO₂-TEA-(in Querrichtung wirkender angeregter Atmosphärendruck)Laserstrahl für dieses Verfahren gut geeignet;
– mittels eines Laserstrahls, der von einem Computer abgelenkt und entlang zweier orthogonal verlaufender Achsen geführt wird; z. B. ist ein CW-(Dauerstrich-)Laser für ein solches Verfahren gut geeignet;
– diese beiden Verfahren sind gegebenenfalls entsprechend einer sogenannten Punktmatrixtechnik anwendbar, z. B. mit einem CO₂-Laser.

Gemäß 4 weist eine erfindungsgemäße Markiereinrichtung z. B. auf:

– eine Einrichtung 11, wie einen Laser, zum Bestrahlen eines Substrats 1, das nachstehend beschrieben wird, mit kohärentem monochromatischem Licht 2; diese Einrichtung umfasst herkömmlicherweise eine Lichtquelle 13, einen Kopf 14 zur Kollimationsprojizierung des Lichts in Form eines Bündels 8 und ein Element 15 zum Steuern, insbesondere zum Modulieren, des Bündels 8;
– eine Einrichtung 12, z. B. eine Tintenstrahldruckeinrichtung, zum diskreten gezielten Projizieren auf das Substrat 1, mit einer Quelle des flüssigen Druckmaterials, z. B. Tinte, einem Kopf 19 zum Projizieren eines Strahls 9 von Tropfen 6 des flüssigen Druckmaterials und ein Element 20 zum Steuern des Strahls;
– eine Einrichtung zum Bewegen des Substrats 1 sowohl relativ zum Kopf 14 zum Projizieren des Bündels als auch zum Kopf 19 zum Projizieren des Strahls oder umgekehrt; bei dieser Einrichtung kann es sich entweder um eine Fördereinrichtung 16 für die zu markierenden Objekte 10 (z. B. Glasflakons oder Glasspritzen) oder einen die Objekte haltenden Drehtisch 17, z. B. mit Elementen zum Drehen der Objekte 10 und somit des Substrats 1, handeln;
– eine Steuereinrichtung 21, insbesondere eine Folgesteuerungseinrichtung, die mit den Elementen 15 und 20 zum Steuern des Bündels 8 bzw. des Strahls 9 verbunden ist; die Steuereinrichtung 21 dient entweder als Analog- oder als Digitaleinrichtung zum sukzessiven begrenzten Entfernen von Material vom Substrat 1 – in Abhängigkeit von seiner Position relativ zu den Köpfen 14 und 19 und in Abhängigkeit von dem vorbestimmten Muster oder zu reproduzierenden Zeichen – an einem gleichen Punkt 7 der Elementfläche mittels des Lichtbündels 8, so dass ein Aufnehmen des Druckmaterials ermöglicht wird, dann zum gezielten Aufbringen des flüssigen Druckmaterials mittels des Strahls 9 auf die vertiefte Oberfläche 3 oder 31, die durch das Entfernen von Material ausgebildet worden ist.

An einem gleichen Punkt 7 der Elementfläche kann das Entfernen von Material entweder punktuell (z. B. mit einem Punktmatrix-Laser) oder in einer größeren Oberfläche, von der zuvor Material entfernt worden ist, wie oben anhand von 1 und 6 beschrieben, erfolgen.
Wie in 1 oder 2 und 3 oder 6 dargestellt, stellt die Gesamtheit der mit dem Druckmaterial beschichteten Punkte 7 oder die miteinander verbundenen gedruckten Punkte insgesamt das Zeichen 4 dar, mit dem das Substrat 1 markiert wird.
Gemäß 4 und 5 sind die Köpfe 14 und 19 zum Projizieren des Bündels 8 bzw. des Strahls 9 feststehend und weist die Steuereinrichtung 21 einen Sensor 23 zum Detektieren der Position des zu markierenden Objekts 10 und möglicherweise der Ausrichtung des Objekts 10 und somit des Substrats 1 auf, und zwar zur Folgesteuerung der Bestrahlung und dann der Projizierung der Flüssigkeit an einem gleichen Punkt in Abhängigkeit von dem vorbestimmten Muster oder zu reproduzierenden Zeichen.
Die in 5 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der oben beschriebenen nur dadurch, dass die Köpfe 14 und 19 zum Projizieren des Bündels 8 und des Strahls 9 in einem gemeinsamen Element 24 untergebracht sind.
Ein Antriebselement 22 entweder für die Fördereinrichtung 16 oder für den Drehtisch 17 ist hinsichtlich der Steuerung von der Einrichtung 21 abhängig oder umgekehrt. Die Steuereinrichtung 21 steuert die Ablenkung des Lichtbündels 8 und des Strahls 9 in Abhängigkeit von der Position des Objekts 10 und somit des Substrats 1, jedoch auch in Abhängigkeit von dem vorbestimmten Muster oder zu reproduzierenden Zeichen.
Wie oben anhand von 1 bis 3 und 6 beschrieben, sind verschiedene Arten der Bestrahlung (Entfernen von Material) und Projizierung (Aufbringen des Druckmaterials) zwecks Erhalts desselben reproduzierten Zeichens 4 möglich.
Beim Betrieb der oben beschriebenen Vorrichtungen wird jeder Punkt der Elementfläche, der zur Oberfläche des festen Substrats 1 und des vorbestimmten Musters oder zu reproduzierenden Zeichens gehört, nacheinander einem Bestrahlungsvorgang unterzogen, bei dem das Substrat 1 mit kohärentem monochromatischen Licht bestrahlt wird, so dass über eine ununterbrochene 3 (1 oder 6) oder unterbrochene 31 (2 und 3 oder 6) vertiefte Oberfläche Material vom Substrat entfernt wird, und dann einer diskreten Projizierung unterzogen, bei der Partikel 6 (Tropfen oder Körnchen) des Druckmaterials, durch deren Aufbringen später das zu reproduzierende Zeichen 4 gebildet wird, gezielt auf die vertiefte Oberfläche 3 oder 31 projiziert wird.
Wie oben erwähnt, sind die Bestrahlungsbedingungen, einschließlich Dauer, Energiedichte etc. derart festgelegt, dass die vertiefte Oberfläche oder die vertieften Oberflächen das Druckmaterial aufnehmen können.
Folglich wird jeder Punkt 7 der Elementfläche des Substrats 1 nacheinander vom Bündel 8 monochromatischen kohärenten Lichts und dem Strahl 9 des Druckmaterials berührt. Der Ausdruck "nacheinander" bedeutet, dass der Projiziervorgang unmittelbar nach oder einige Zeit nach dem Bestrahlungsvorgang stattfindet.
Vorzugsweise ist das in den Tropfen 6 enthaltene Druckmaterial ein polymerisierbares Material und wird das Druckmaterial nach dem Aufbringen auf die vertiefte Oberfläche 3 oder 31 durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht, z. B. monochromatischem kohärenten Ultraviolettlicht, z. B. Laserlicht, polymerisiert.

Claims

Vorrichtung zur Oberflächenmarkierung eines festen Substrats (1), mit einer Einrichtung (11) zum Bestrahlen des Substrats mit monochromatischem kohärenten Licht (2), einer Lichtquelle (13), einem Kopf (14) zum Projizieren eines Lichtbündels (8) und einem Element (15) zum Steuern, insbesondere zum Modulieren, des Lichtbündels; sowie einer Einrichtung (16, 17) zum Bewegen des Substrats (1) relativ zum Kopf (14) zum Projizieren des Bündels oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner aufweist: – eine Einrichtung (12) zur diskreten gezielten Projektion von Druckmaterial auf das Substrat (1), mit einer Quelle (18) des Druckmaterials, einem Projizierkopf (19) für einen Druckmaterialstrahl (9) und einem Element (20) zum Steuern des Strahls; – eine Steuereinrichtung (21), die mit den Elementen (15, 20) zum Steuern des Lichtbündels (8) und des Strahls (9) verbunden ist und dazu dient, auf dem Substrat (1) – in Abhängigkeit von seiner Position relativ zu den Köpfen (14, 19) zum Projizieren des Lichtbündels (8) bzw. des Strahls (9) – an einem gleichen Punkt (7) der Elementfläche nacheinander einen durch einfaches Abschleifen gebildeten Bereich herzustellen, in dem das Druckmaterial aufgenommen wird, und dann das Druckmaterial gezielt auf die vertiefte Oberfläche aufzubringen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Köpfe (14, 19) zum Projizieren des Bündels (8) bzw. des Strahls (9) feststehend sind und die Einrichtung (16, 17) zum Bewegen des Substrats (1) insbesondere eine Fördereinrichtung (16) oder einen Drehtisch (17) aufweist und die Steuereinrichtung (21) einen Sensor (23) zum Detektieren der Position und möglicherweise der Ausrichtung des Substrats (1) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Köpfe (14, 19) zum Projizieren des Lichtbündels (8) bzw. zum diskreten Projizieren des Druckmaterialstrahls (9) in einem gemeinsamen Element (24) untergebracht sind.