DE3738330A1

DE3738330A1 - Lasermarkierungsverfahren

Info

Publication number: DE3738330A1
Application number: DE19873738330
Authority: DE
Inventors: Kenkoku Azuma; Masaaki Sakaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1986-11-14
Filing date: 1987-11-11
Publication date: 1988-05-26
Also published as: GB8725637D0; KR910000826B1; DE3738330C2; US4861620A; GB2201377A; GB2201377B; KR880006809A

Description

Die Erfindung betrifft ein Lasermarkierungsverfahren, das dazu verwendet wird, auf der Oberfläche eines Gegenstandes eine scharfe Markierung mittels eines Laserstrahls mit hoher Geschwindigkeit vorzunehmen.

Bei der Bildung von Markierungen, beispielsweise einer Zeichenmarkierung, Produktausbildung und Produktherstellungsdatum etc., auf einer Oberfläche eines Gegenstandes, ist es üblich gewesen, das sogenannte Maskentransferverfahren zu verwenden, bei welchem eine Anzahl von Symbolen und/oder Zeichen auf eine derartige Oberfäche gleichzeitig mit hoher Geschwindigkeit übertragen oder auf der Oberfläche bis zu mehreren Mikron eingraviert werden, indem ein Laserstrahl längs eines auf der Oberfläche zu markierenden Symbols und/oder Zeichens abgetastet wird.

Insbesondere muß beim üblichen Markierungsverfahren unter Verwendung eines Laserstrahls ein Abschnitt des Produktes, auf dem die Markierung mittels einer örtlichen Laser-Erhitzung und Verdampfung des Werkstoffs des Produktes erfolgen soll, auf eine Temperatur erhitzt werden, bei welcher eine derartige örtliche Verdampfung stattfindet. Die Temperatur hängt vom Werkstoff des Produktes ab und ist etwa 500°C bei Kunststoffen und etwa 2000°C bei Keramik.

Um eine derartige hohe Temperatur des in Frage stehenden Abschnittes des Produktes zu erzielen, muß die Ausgangsleistung eines Lasers groß genug sein. Ist jedoch das Produkt beipsielsweise ein elektronisches Bauelement, wie beispielsweise eine Halbleiteranordnung, so besteht eine erhebliche Möglichkeit einer thermischen Verschlechterung derselben infolge einer örtlichen Erwärmung mittels des Laserstrahls und Staub und/oder Rauch, die während der Lasermarkierung erzeugt werden, können das elektrische Bauelement verunreinigen.

Da die Markierung durch örtliche Verdampfung und/oder Brennen des Werkstoffes ausgeführt wird, kann die Glätte der Oberfläche des Produktes verschlechtert werden und die Schärfe der auf dem Produkt gebildeten Markierung kann manchmal beeinträchtigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lasermarkierungsverfahren zu schaffen, bei welchem ein Temperaturanstieg eines Produktes, das eine Oberfläche aufweist, auf welcher die Markierung durchgeführt wird, beschränkt ist und eine Verringerung der erforderlichen Laserleistung eintritt, während die Schärfe der Markierung annehmbar ist.

Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Lasermarkierungsverfahren zu schaffen, bei welchem eine vorzusehende Markierung mehrfarbig ist, so daß die Markierung selbst leicht identifiziert werden kann.

Erfindungsgemäß wird eine Oberfläche eines Produktes, auf welchem die Lasermarkierung erfolgen soll, mit einer Pigmentschicht überzogen, deren Farbe sich ändert, wenn ihre Temperatur einen vorgegebenen Wert überschreitet, indem ein derartiges Pigment auf einen Oberflächenteilwerkstoff des Produktes gestrichen oder aufgemischt wird und die Markierung durch Bestrahlung der Oberfläche mit einem Laserstrahl längs einer Bahn erfolgt, die eine gewünschte Markierung bildet, so daß die Markierung als Teil der Oberfläche erhalten wird, dessen Farbe sich verändert.

Die eingangs genannten Aufgabenstellungen werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Markierung einer Gegenstandsfläche gelöst, das gekennzeichnet ist durch folgende Schritte:
Beschichten der Oberfläche des Gegenstandes mit einem Pigment, das seine Ausgangsfarbe bei einer vorgegebenen Temperatur oder höher in eine andere Farbe verändert; und
Bestrahlen von Abschnitten des Pigmentüberzuges mit einem Markierungslaserlicht, so daß die bestrahlten Abschnitte durch die andere Farbe markiert werden.

Das bei der Erfindung verwendete Pigment ändert seine Farbe durch eine Änderung seiner inneren Struktur bei einer vorgegebenen Temperatur oder einer diese überschreitende Temperatur. Das Pigment kann aus einer Gruppe ausgewählt sein, die aus einer Hg-Verbindung, Kobaltverbindung, Eisenverbindung, Kupferverbindung, Nickelverbindung, Bleiverbindung, Vanadiumverbindung und jeglichen Gemischen derselben besteht.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens;

Fig. 2 den Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens; und

Fig. 4 eine weitere Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens.

Es wird nunmehr auf die bevorzugten Ausführungsformen näher eingegangen.

In den Fig. 1 und 2 ist Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer TEACO₂-Lasermarkierungsvorrichtung, die sich für das Maskentransferverfahren eignet, und Fig. 2 zeigt einen Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Maskenmarkierungsvorrichtung, wobei das Bezugszeichen (1) einen Laseroszillator zur Aussendung eines Markierungslaserstrahls (2) darstellt. Der Laserstrahl (2) wird auf einen reflektierenden Spiegel (3) geleitet, von welchem er auf eine Kondensorlinse (4) gerichtet wird. Die von der Kondensorlinse (4) gesammelten Strahlen treten durch eine Maske (5) hindurch, die ein Markierungsmuster (5 a) auf einer Oberfläche auf einem Produkt (6) bildet, auf welchem das Markierungsmuster (5 a) bei dieser Darstellung ein Buchstabe (A) gebildet wird.

Ein Verschluß (1 a) ist in der Laserbahn zwischen dem Laseroszillator und dem reflektierenden Spiegel (3) vorgesehen und die Maske (5) wird von einem Maskenhalter (7) aufgenommen. Die Kondensorlinse (4) ist in einem Kondensorabschnitt (8) untergebracht. Das zu markierende Produkt (6) ist in dieser Figur als Elektromagnetschalter dargestellt und ein Abschnitt desselben, auf dem die Markierung angebracht werden soll, ist mit dem Bezugszeichen (9) bezeichnet.

Es wird nunmehr das vorliegende Verfahren näher beschrieben. Der Markierungsabschnitt (9) bezüglich der Quelle des Produktes (6) wird einleitend mit einer Schicht eines Pigmentes überzogen, dessen Farbe sich infolge seiner internen Struktur bei einer vorgegebenen oder über diese hinausgehenden Temperatur ändert. Der Überzug kann durch Anstreichen des Abschnittes mit Pigment erzielt werden. Als Alternative kann es möglich sein, das Pigment in den Werkstoff des Produktes einzumischen und anschließend letzteres zu formen. Das letztgenannte Verfahren kann brauchbar sein, wenn das Produkt aus Kunststoff besteht.

Anschließend wird die Lagebeziehung zwischen dem Laseroszillator (1), dem reflektierenden Spiegel (3), der Maskenplatte (5), der Kondensatorlinse (4) und dem Produkt (6) derart reguliert, daß die Oberfläche des Produktes (6) auf der Seite der Kondensorlinse (4) der Maskenplatte (5) zugewandt ist. Anschließend wird der Markierungsabschnitt (9) des Produktes (6) mit dem Laserstrahl (2) des Laseroszillators (1) durch die das Markierungsmuster (5 a) aufweisende Maskenplatte (5) und die Kondensorlinse (4) bestrahlt. Durch diese Bestrahlung wird das Pigment in dem vom Laserstrahl beaufschlagten Abschnitt unmittelbar auf die vorgegebene oder eine höhere Temperatur erhitzt und ändert seine innere Struktur und somit seine Farbe, wodurch eine Markierung erhalten wird, die gegenüber ihrer Hintergrundfarbe eine unterschiedliche Farbe aufweist.

Hinsichtlich einer irreversiblen oder semi-irreversiblen Änderung der inneren Struktur und somit der Farbe des Pigmentes als Folge der durch die Laserbestrahlung erhöhten Temperatur sind zwei Pigmentarten verfügbar, nämlich ein Pigment, dessen Moleküle, beispielsweise H₂O und CO₂ etc., aus dem Pigment durch Erhitzen auf die vorgegebene oder höhere Temperatur abgegeben werden, so daß es thermisch zersetzt wird und seine molekulare Struktur permanent ändert, um dadurch eine gegenüber seiner Ausgangsfarbe verschiedene Farbe zu erhalten, während beim anderen Pigment, dessen kristalliner Aufbau und somit seine Farbe beispielsweise durch einen Glasübergang als Folge der erhöhten Temperatur geändert wird.

Eine Einteilung der in den Ausführungsformen verwendeten Pigmente ist in der Tabelle 1 angegeben und die Temperaturen, bei welchen sich die Pigmente der Tabelle 1 in ihrer Farbe ändern und die Farbänderungen sind in der Tabelle 2 aufgeführt. In der Tabelle 2 sind auch weitere, nicht typische Temperaturen und Farbänderungen ergänzend angegeben. Es wird darauf hingewiesen, daß die Ausführungen mit den Nr. 6 bis 20 Farbänderungen als Folge einer thermischen Zersetzung darstellen.
Ausführungs-Einteilung der Pigmente formen Nr.

1anorganische Hg-Verbindung 2
3
4
5
6Kobaltverbindung (beispielsweise Kobaltoxalat, einschließlich Kristallwasser, Kobaltformiat, einschließlich Kristallwasser, Kobaltphosphat, einschließlich Kristallwasser) 7Kaliumkobalt(III)nitrid 8Kupferverbindung 9Kobaltverbindung 10Kobaltverbindung 11Wismuthoxalat 12Kupferoxalat 13Kobaltverbindung 14Kobaltoxalat 15Nickeloxalat + Kobaltoxalat 16Nickelverbindung 17Bleiverbindung 18
19
20

Tabelle 2

Die Erfinder haben verschiedene Versuche mit jeder der Ausführungsformen gemäß Tabellen 1 und 2 durchgeführt und jene gemäß der Ausführungsform Nr. 6 werden beispielsweise näher beschrieben.

Bei den mit der Ausführungsform Nr. 6 durchgeführten Versuchen war das verwendete Pigment eine Farbe, die ein Pulver aus CO₃(PO₄) 8 H₂O enthielt, mit einer Teilchengröße von 2 µm oder kleiner und mit folgenden Bestandteilen:

CO₃(PO₄) 8 H₂O30 Gew.-% Talk 4 Gew.-% Ethylzelluloselack33 Gew.-% (Harzkomponente15 Gew.-%) Verdünner33 Gew.-%

Eine Oberfläche einer Phenolharzplatte mit 5 mm Dicke wurde beispielsweise für das Produkt verwendet und mit der vorausgehend aufgeführten Farbe besprüht, um eine Pigmentschicht von etwa 30 µm auf der Platte zu bilden. Die Phenolharzplatte mit der Pigmentschicht wird bei Raumtemperatur während etwa 24 Stunden getrocknet. Das erhaltene Produkt wurde mit einem Kurzimpuls-Laserstrahl mit einer Pulsweite von 1 µm oder weniger aus dem TEACO₂-Laseroszillator (1) nach Fig. 1 bestrahlt und die Farbänderungen der Oberflächenabschnitte wurden ermittelt. Betrug die Energiedichte des Laserstrahls an der Pigmentschicht 1,0 Joule/cm², so wurde die rosa Ausgangsfarbe der Pigmentschicht gleichmäßig in eine blaue Farbe geändert und 16 Ziffern abwechselnder Gotikschrift, wovon jede (zum Zeitpunkt des Transfers) in einer Höhe von 1,2 mm in eine Kupferplattenmaske gestanzt war, die im Maskenhalteabschnitt (7) angebracht war, wurden scharf auf die Pigmentschicht übertragen. Betrug die Energiedichte des Laserstrahls 0,6 Joule/cm² oder weniger, so wurden mit jeder Ziffer unvollständige örtliche Farbänderungen erzeugt und ein Lesen der übertragenen Ziffern wurde schwierig. Es wird angenommen, daß die beobachtete Farbänderung darauf beruht, daß ein Teil der acht Wassermoleküle im Kobaltphosphat durch die Laserbestrahlung freigegeben wird und in ein anderes Kobaltphosphat umgewandelt wird, das einen unbekannten Anteil Wasser aufweist und eine blaue Farbe zeigt und durch

(CO₃(PO₄)₂ XH₂O (1<X<7))

dargestellt wird, entsprechend folgender Reaktion:

Die Annahme des Bereiches von X beruht auf dem Umstand, daß Kobaltphosphat, das kein Kristallwasser aufweist, eine rote Farbe zeigt.

Zum Vergleich wurden Phenolharzplatten, die mit den in den vorausgehend aufgeführten Versuchen verwendeten identisch waren und keinen Pigmentüberzug aufwiesen, mit Laserstrahlen aus der gleichen Vorrichtung bestrahlt, die in obigen Versuchen verwendet wurde, wobei die Laserenergiedichte verändert wurde, um eine kritische Laserenergiedichte zu ermitteln, die erforderlich ist, um die auf die Pigmentschicht übertragenen Zahlen einwandfrei abzulesen. Gemäß den letztgenannten Versuchen betrug die kritische Energiedichte 4 Joule/cm² und es war möglich, die Zahlen eindeutig abzulesen, wenn die Energiedichte höher als der kritische Wert war, bei welchem die auf die schwarze Pigmentschicht übertragenen Zahlen sich grau-weiß darstellten und gegenüber dem schwarzen Hintergrund nicht klar waren.

Andere Ausführungsformen, die Eisenverbindungen als Pigmente verwendeten und die in Tabelle 1 nicht aufgeführt sind, werden durch folgende Reaktionsformel dargestellt:

Wie vorausgehend aufgeführt wurde, verwendet das erfindungsgemäße Lasermarkierungsverfahren die Änderung in der inneren Struktur des Pigmentes infolge einer Temperaturerhöhung desselben, aufgrund der Bestrahlung mit dem Laserstrahl. Daher bestehen keine Schwierigkeiten bezüglich Staub und/oder Rauch, die für das zu markierende Produkt unerwünscht sind und die Markierung selbst erfolgt ohne ein Gravieren auf der Produktoberfläche. Der Kontrast der Markierung gegenüber dem Hintergrund kann sehr hoch gemacht werden.

Abhängig von der Pigmentart ist es möglich, die Temperatur, bei welcher die Farbänderung auftritt, auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert, beispielsweise 70°C, zu begrenzen und daher kann die vorliegende Markierung selbst bei einem Produkt durchgeführt werden, das thermisch instabil ist. Ferner kann, wie vorausgehend aufgeführt wurde, die erfindungsgemäß verwendete Laserleistung erheblich reduziert werden, verglichen mit dem üblichen Verfahren, das eine örtliche Verdampfung oder ein Brennen des Werkstoffes vorsieht, aus dem das Produkt besteht.

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung einer Lasermarkierungsvorrichtung einer mit Laserpunktauffall arbeitenden Markierungsart, die aus einer Kombination eines Impulslasers und eines polygonalen Spiegels besteht, und Fig. 4 zeigt eine Abänderung der Vorrichtung nach Fig. 3, bei welcher der polygonale Spiegel durch ein Paar Abtastspiegel (3 a) ersetzt ist, die in Richtung (A) verschwenkbar sind, und ein Abtastspiegel (B) ist in Richtung (B) verschwenkbar und die Spiegel werden durch Steuersignale (21) aus einer Steuervorrichtung (20) programmgesteuert.

Gemäß Fig. 3 wird der polygonale Spiegel (3 c) gedreht, während das zu markierende Produkt (6) in einer Richtung (C) bewegt wird, so daß das Produkt (6) in einer zur Richtung (C) senkrecht verlaufenden Richtung abgetastet wird.

Mit den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Vorrichtungen kann das vorliegende Verfahren wirkungsvoll ausgeführt werden. Während der TEACO₂-Laser hier als Laserstrahlquelle beschrieben wird, können andere Laser, beispielsweise ein Nd: YAG-Laser, ebenfalls mit gleicher Wirkung verwendet werden.

Bei einem anderen Versuch wurde ein Pigment mit folgenden Bestandteilen verwendet, wobei eine Platte, die identisch mit der im vorausgehenden Versuch verwendeten Phenolplatte war, in einer Dicke von etwa 30 µm mit einem aufgesprühten Überzug beschichtet und anschließend während etwa 24 Stunden bei Raumtemperatur getrocknet und in gleicher Weise wie beim vorausgehenden Versuch einer Laserbestrahlung ausgesetzt wurde:

Ammoniummetavanadat (NH₄CO₃)25 Gew.-% Talk 4 Gew.-% Ethylzelluloselack33 Gew.-% (Harzkomponente15 Gew.-%) Verdünner38 Gew.-%

Es wurde gefunden, daß bei einer Energiedichte eines Kurzimpulslasers mit einer Pulsweite von 1 µm oder weniger, aus dem TEACO₂-Laser (1) im Bereich von 1,1 Joule bis 1,8 Joule/cm² die Ausgangsfarbe weiß gleichmäßig in braun geändert wurde und 16 abwechselnde Gotikziffern, die in die Kupfermaske (5) gestanzt waren, wurden eindeutig übertragen. Betrug die Laserenergiedichte 0,8 Joule/cm² oder weniger, so verblaßten die übertragenen Zahlen örtlich, so daß ihre Ablesung schwierig war. Es wird angenommen, daß die Farbänderung eintritt, weil Wassermoleküle und Ammoniakmoleküle aus dem Ammoniummetavanadat entsprechend folgender Reaktion abgegeben werden, wobei Vanadiumpentoxid erhalten wird:

Bei einer von 1,8 Joule/cm² auf 5,0 Joule/cm² erhöhten Laserenergiedichte wurde die weiße Ausgangsfarbe gleichförmig zu schwarz verändert. Somit ist es möglich, eine mehrfarbige Markierung vorzusehen, indem Pigment und Laserenergiedichte geeignet gewählt werden.

Ein weiterer Versuch wurde durchgeführt unter Verwendung von Nickelchloridhexamethylen-tetramin

(NiCl₂2 C₆H₁₂N₁₄ 10 H₂O)

als Pigment mit folgender Zusammensetzung:

Nickelchloridhexamethylentetramin25 Gew.-% Talk 5 Gew.-% Ethylzelluloselack40 Gew.-% Verdünner30 Gew.-%

Eine Aluminiumplatte wurde mit einer Pigmentschicht von etwa 30 µm Dicke überzogen und anschließend unter den gleichen Bedingungen wie beim vorhergehenden Versuch getrocknet, wonach ein Abschnitt der Platte während 1,5 m sek. mit einer CO₂Gas-Laserenergiedichte von 250 W/cm² bestrahlt wurden. Bei dieser Laserbestrahlung wurde die Ausgangsfarbe grün zu gelb-grün verändert. Ein anderer Abschnitt der Pigmentschicht wurde während 3,0 m sek. mit einer Laserenergiedichte von 250 W/cm² bestrahlt. Die Farbe des letzteren Abschnittes wurde von ihrer grünen Ausgangsfarbe zu hellblau-violett geändert. Es wird angenommen, daß diese Farbänderung auf einer Abgabe von Kristallwasser gemäß den nachfolgenden Reaktionen beruht:

Somit ist es möglich, eine mehrfarbige Markierung vorzusehen.

Wie vorausgehend aufgeführt wurde, ist es erfindungsgemäß möglich, eine einfarbige oder mehrfarbige Markierung durch geeignete Wahl eines Pigmentes und einer Laserenergiedichte zu liefern.

Claims

1. Lasermarkierungsverfahren für die Oberfläche eines Gegenstandes, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Beschichten der Oberfläche des Gegenstandes mit einem Pigment, das seine Ausgangsfarbe bei einer vorgegebenen Temperatur oder höher in eine andere Farbe verändert; und
Bestrahlen von Abschnitten des Pigmentüberzuges mit einem Markierungslaserlicht, so daß die bestrahlten Abschnitte durch die andere Farbe markiert werden.

2. Lasermarkierungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pigment eine Kombination einer Anzahl verschiedener Pigmente ist, die jeweils bei verschiedenen Temperaturen unterschiedliche Farben liefern, und daß der Markierungslaser eine Mischung einer entsprechenden Anzahl von Laserstrahlen mit unterschiedlichen Energiedichten ist, die erforderlich sind, um die Oberfläche des Gegenstandes jeweils auf die verschiedenen Temperaturen zu erhitzen, so daß die bestrahlten Abschnitte der Oberfläche des Gegenstandes mit verschiedenen Farben markiert werden.

3. Lasermarkierungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pigment einen Werkstoff enthält, der infolge einer Änderung seiner inneren molekularen Struktur, die durch die vom Laserlicht gegebene Wärme verursacht wird, in der Lage ist, seine Ausgangsfarbe in eine andere Farbe zu ändern.

4. Lasermarkierungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pigment aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Hg-Verbindung, einer Kobalt-Verbindung, Kaliumkobaltinitrid, Kupferverbindung, Nickelverbindung, Bleiverbindung, Eisenverbindung, Vanadiumverbindung und jedem Gemisch hiervon besteht.

5. Lasermarkierungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt der Pigmentschicht jeweils mit Laserlicht verschiedener Energiedichte bestrahlt wird.