DE3782061T2

DE3782061T2 - Verfahren und vorrichtung zur selektiven schaffung eines dekors auf hohlen achssymetrischen teilen mittels lasertrahl.

Info

Publication number: DE3782061T2
Application number: DE8787119388T
Authority: DE
Inventors: Rudolf Cvopa Rudolf Cvopa; Jaroslav Drbohlav Jar Drbohlav; Peter Dipl Ing Farkas P Farkas; Maria Faskova Maria Faskova; Peter Dipl Ing Urbanek Urbanek
Original assignee: VYZK VYVOJOVY USTAV SKLARSKY
Current assignee: VYZK VYVOJOVY USTAV SKLARSKY
Priority date: 1985-01-17
Filing date: 1987-12-30
Publication date: 1993-05-06
Anticipated expiration: 2007-12-31
Also published as: EP0322479A1; DE3782061D1; CS258703B1; US4843207A; EP0322479B1; CS31985A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gezielten Erzeugung eines Dekors auf hohlen axialsymmetrischen Teilen mit einem Laserstrahl.
Verfahren und Vorrichtungen zur Bearbeitung axialsymmetrischer Glasteile mit Hilfe eines Laserstrahls sind aus DD-A-112 941, US-A-3 770 936 und 3 701 880 sowie dem Urheberschein CS 214 081 bekannt. Diese bekannten Verfahren beruhen hinsichtlich der Bearbeitung auf dem Prinzip einer ausreichenden Absorption von Glas für eine bestimmte Wellenlänge eines Laserstrahls.
Ein Nachteil dieser Verfahren und Vorrichtungen des Standes der Technik ist in dem Umstand zu sehen, daß die Wärmeenergie des Laserstrahls die Glasmasse nicht durchdringt und in der dünnen Oberflächenschicht des Glases absorbiert wird, und daß das gewünschte benötigte Dekor durch lokale Verdampfung der dünnen Glasschicht erzeugt wird, was zur Bildung von Mikrorissen führt. Weitere Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind die Notwendigkeit, die Wärmeenergie des Laserstrahls von außen auf das axialsymmetrische Teil einwirken zu lassen, und die Forderung, das axialsymmetrische Teil zentriert einzuspannen und es in Rotation zu versetzen, also eine in der Praxis ziemlich aufwendige Manipulation der Teile.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die bis heute mit der Erzeugung eines Dekors auf hohlen, axialsymmetrischen und insbesondere rotationssymmetrischen Teilen verbundenen, oben erläuterten Nachteile mit Hilfe eines Laserstrahls im wesentlichen zu vermeiden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die auf hohle, axialsymmetrische und insbesondere rotationssymmetrische Teile angewandt werden können, die zwei Schichten aufweisen, von denen die innere Schicht aus einem Material einer maximalen Dicke von 40 mm mit einem maximalen Absorptionskoeffizienten von 29% und die äußere Schicht aus einem Material mit einer maximalen Dicke von 1,2 mm mit einem minimalen Absorptionskoeffizienten von 75% bestehen, wobei die angegebenen Grenzen der Absorptionskoeffizienten Wellenlängen von 0,5 bis 2,0 um betreffen.
Die Aufgabe wird gemäß den Ansprüchen 1 und 5 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur gezielten Erzeugung eines Dekors auf hohlen, axial- und vorzugsweise rotationssymmetrischen Teilen mit Hilfe eines Laserstrahls, wobei das hohle Teil aus zwei Schichten, einer inneren Schicht aus einem Material mit einer maximalen Dicke von 40 mm mit einem maximalen Absorptionskoeffizienten von 29% und einer äußeren Schicht aus einem Material einer maximalen Dicke von 1,2 mm mit einem minimalen Absorptionskoeffizienten von 75% besteht, ist dadurch gekennzeichnet, daß
- ein Laser einer Wellenlänge von 0,5 bis 2,0 um verwendet wird,
- die Fortpflanzungsachse des Laserstrahls so ausgerichtet ist, daß sie mit einer maximalen Abweichung von ±10 mm mit der Symmetrieachse des hohlen Teils zusammenfällt,
- der Laserstrahl aus dem Inneren des hohlen Teils durch die innere Schicht hindurch auf die äußere Schicht des hohlen Teils gerichtet wird, um eine Phasenänderung an den bestrahlten Stellen der äußeren Schicht hervorzurufen,
und
- der Laserstrahl in einer Drehbewegung um die Symmetrieachse und in einer Längsbewegung entlang der Symmetrieachse des hohlen Teils bewegt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Laserstrahl mit einem optisch-mechanischen System gesteuert, das an der äußeren Schicht des hohlen Teils eine kombinierte Bewegung des Laserstrahls aus einer Drehbewegung um die Symmetrieachse des hohlen Teils nach der Gleichung
x²(z) + y²(z) = r²&sub1;(z)
und einer Längsbewegung in Richtung der Symmetrieachse des hohlen Teils nach der Gleichung
z = f(t)
durchführt, worin bedeuten:
x(z) und y(z) die x- bzw. y-Koordinate der Stelle der Wechselwirkung des Laserstrahls mit der äußeren Schicht des hohlen Teils in der Ebene z im rechtwinkligen cartesischen Koordinatensystem,
r&sub1;(z) den Radius der inneren Wand der äußeren Schicht in der Ebene z
und
f(t) eine mit der Zeit zunehmende Funktion,
wobei der Mittelpunkt der Halterung oder des Trägers der Ursprung des Koordinatensystems ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens umfaßt einen Laser, eine Fokussierlinse und einen in der Fortpflanzungsachse des Laserstrahls angeordneten Spiegel; sie ist dadurch gekennzeichnet, daß
- der Spiegel in der optischen Achse der Linse angeordnet ist,
- ein den Spiegel tragender Träger vorgesehen ist, der so ausgebildet ist, daß er in ein hohles Teil eingeführt und so eingestellt werden kann, daß die optische Achse der Linse mit einer vorgegebenen Genauigkeit mit der Symmetrieachse des hohlen Teils, vorzugsweise seiner Drehachse, zusammenfällt, und der um die Symmetrieachse des hohlen Teils herum drehbar und entlang dieser verschiebbar ist, so daß der Spiegel in Längsrichtung oder translatorisch entlang der optischen Achse der Linse und darum herum drehbar beweglich ist,
- der Träger eine Antriebseinrichtung für die translatorische Bewegung aufweist
und
- die Linse eine am Träger befestigte Fokussiereinrichtung aufweist,
- wobei der Spiegel und die Linse unabhängig voneinander beweglich sind.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen wird die Steuerung der Erzeugung des Dekors mit einem optischen Aufnehmer, der ein Muster des aufzubringenden Dekors aufnimmt, und/oder einem Mikrocomputer sichergestellt.
Die Hauptvorteile des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Erzeugung eines Dekors auf hohlen, axialsymmetrischen Teilen mit Hilfe eines Laserstrahls liegen darin, daß der Laserstrahl durch das Material der inneren Schicht der Wand des hohlen Teils hindurchdringt, ohne das Material zu beschädigen, und im Material der äußeren Schicht der Wand eine Phasenänderung bewirkt. Ein weiterer praktischer Vorteil ist daneben die Möglichkeit einer vollständigen Automatisierung des Verfahrens, da das mit einem Dekor zu versehende Teil während des eigentlichen Verfahrens nicht um die Symmetrieachse herum in Drehbewegung versetzt werden muß, und daher keinerlei Mittel zum Einspannen der Teile nötig sind, die auf einem stabilen Träger ohne Drehung frei stehen können. Dieser Vorteil ist von außerordentlicher Bedeutung, wenn die mit einem Dekor zu versehenden Teile keine ideale Form besitzen (Abweichungen im Durchmesser, Exzentrizität, axiale Abweichung, Elliptizität, etc.).
Die Selektivität des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf der Tatsache, daß sozusagen mit der Wärmeenergie des Laserstrahls selbst gezielt ausgewählt wird, wo gemäß der Abhängigkeit der Absorptionskoeffizienten der verschiedenen Materialien von der Wellenlänge des verwendeten Laserstrahls eine Phasenänderung des Materials hervorgerufen werden soll, und wo keine solche Änderung hervorgerufen werden soll.
Das Konzept der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausführungsart zur Dekorerzeugung auf Gebrauchsglas mit Hilfe eines Laserstrahls in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die in einer Schnittansicht schematisch das Prinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, um die Einwirkung eines Laserstrahls auf das mit einem Dekor zu versehende Teil zu zeigen.
Das Verfahren kann auf hohle, axialsymmetrische Teile aus zwei Schichten angewandt werden, wobei die innere aus klarem Glas besteht. Klares Glas ist im allgemeinen für Wellenlängen von 0,5 bis 2,0 um gut durchlässig, d. h., der Absorptionskoeffizient von klarem Glas liegt unter 29%. So kann beispielsweise ein von einem Festphasen-Nd/YAG- Laser (einschließlich eines akustisch-optischen Q-Shutters) erzeugter Laserstrahl verwendet werden. Das hohle, axial- und rotationssymmetrische Glasteil ist beispielsweise eine kleine Tasse, ein Becher, eine Vase, ein Aschenbecher oder eine andere Art Gebrauchsglas. Diese Glasteile können an der äußeren Oberfläche nach herkömmlichen Verfahren der transparenten Beschichtung, des Listerns, des Aufbringens von Glasfarben oder von Schichten von Edelmetallen veredelt werden, d. h., die Teile bestehen aus zwei Schichten: klares Glas-transparente Beschichtung, oder klares Glas-Lister, oder klares Glas- Glasfarbe oder klares Glas-Schicht aus Edelmetall. Die dünne Schicht des äußeren Mantels besitzt eine Dicke von ≤ 1,2 mm, und der Absorptionskoeffizient des Materials dieser Schicht für die Wellenlänge des Nd/YAG-Lasers ist ≤ 75%.
Der mit einer maximalen Abweichung von ±10 mm mit der Symmetrieachse des hohlen Teils zusammenfallend angewandte Laserstrahl ist mechanisch-optisch gesteuert und wirkt vom Inneren des hohlen Teiles auf seine äußere Schicht ein, d. h., er gelangt durch das klare Glas hindurch zur dünnen Schicht des äußeren Mantels aus transparenter Beschichtung, Lister, Glasfarbe oder Edelmetall. Der Laserstrahl verdampft das Material der inneren Schicht nicht, beschädigt es nicht und verursacht keine Mikrorisse in diesem Material. Im Fall von Glas verdampft der Laserstrahl beispielsweise klares Glas nicht, beschädigt es nicht und erzeugt keine Mikrorisse darin. Auf der anderen Seite bewirkt der Laserstrahl während seines Durchgangs vom Inneren her eine Phasenänderung der äußeren Schicht des hohlen Teils, d. h., er bewirkt nach dem Durchgang durch das klare Glas eine Verdampfung der dünnen Schicht des äußeren Mantels, der aus einer transparenten Beschichtung, Lister, Glasfarbe oder Edelmetall besteht.
Der von einem optisch-mechanischen System gesteuerte Laserstrahl führt über der inneren Schicht des hohlen Teils eine kombinierte Bewegung, die aus einer Drehbewegung um die Symmetrieachse des hohlen Teils nach der Gleichung
x²(z) + y²(z) = r²&sub1;(z)
und einer Bewegung in der Richtung der Symmetrieachse des hohlen Teils nach der Gleichung
z = f(t)
wie oben definiert besteht, worin r(z) der Radius der inneren Wand der äußeren Schicht aus transparenter Beschichtung, Lister, Glasfarbe oder Edelmetall auf dem Teil aus klarem Glas in der Ebene z ist, und wobei der Mittelpunkt des Trägers des Teils mit dem Ursprung der Systemkoordinaten zusammenfällt.
Die schematisch in der Zeichnung gezeigte Vorrichtung umfaßt einen einen Laserstrahl 1 erzeugenden Laser, eine Linse 5, einen Spiegel 6 und eine Antriebsvorrichtung für eine translatorische Bewegung der Linse 5 und des Spiegels 6 und für eine Drehbewegung des Spiegels 6, der auf einem Träger 8 montiert sein kann, und eine optoelektronische oder elektronische Steuerung zur Erzeugung des Dekors, die durch einen optischen Aufnehmer für das betreffende aufzubringende Dekormuster und/oder einen Mikrocomputer sichergestellt ist. In der beigefügten Zeichnung ist nur der Teil der gesamten Vorrichtung dargestellt, der das Konzept der vorliegenden Erfindung betrifft. Das axial- und rotationssymmetrische Teil 2, auf dem das Dekor zu erzeugen ist, besteht aus einem Material mit zwei Schichten und steht während der Dekorerzeugung auf seiner Grundfläche 7 auf einer stabilen Grundlage oder einem stabilen Träger. Im Verlauf der Erzeugung des Dekors dreht sich das Teil 2 nicht um seine Symmetrieachse.
Der Laserstrahl 1 einer Wellenlänge von 0,5 bis 2,0 um wird mit einer maximalen Abweichung von ±10 mm zusammenfallend mit der Symmetrieachse 3 des Teils angewandt. Der Laserstrahl 1 wird mit der Linse 5 fokussiert, die in Richtung der Symmetrieachse 3 des Teils 2 gleitend beweglich auf einem Träger 8 angebracht ist, und die optische Achse 4 der Linse 5 fällt mit der Symmetrieachse 3 mit einer maximalen Abweichung von ±10 mm zusammen. Der Spiegel 6 ist gleitend und drehbar in der Symmetrieachse 3 des hohlen Teils angebracht.
Die Antriebsvorrichtung für die translatorische Bewegung und die Drehbewegung stellt die Bewegung der Linse 5 und des Spiegels 6 in der Richtung der Symmetrieachse 3 des Teils 2 und die Bewegung der Linse 5 in Bezug auf den Spiegel 6 in der Weise, daß der Brennpunkt der Linse immer auf der äußeren Oberfläche des Mantels des Teils 2 bleibt, und auch die Drehung des Spiegels 6 sicher, wodurch die Drehachse des Spiegels 6 mit der Symmetrieachse des Teils 2 zusammenfällt.
Das erfindungsgemäße Konzept erlaubt die Erzeugung eines Dekors auf dem Teil 2 durch eine Phasenänderung der äußeren Schicht seines Mantels gemäß den oben definierten Gleichungen.
Der Laserstrahl 1 kann mit Hilfe eines äußeren, Informationen über das Dekormuster enthaltenden elektronischen Signals unterbrochen werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart wird ein Dauerstrich-Festphasen-Nd/YAG-Laser mit einem akustisch-optischen Q-Shutter verwendet.
Zur Sicherstellung der Steuerung des Laserstrahls gemäß dem Dekormuster werden vorzugsweise ein optischer Aufnehmer für ein Dekormuster und/oder ein Mikrocomputer verwendet. Der optische Aufnehmer für das Dekormuster arbeitet auf eine der Bildtelegraphie ähnliche Art, und die erhaltenen elektronischen Signale werden verwendet, um den Laserstrahl 1 online zu steuern.
Die breitesten Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung bestehen in der Glasindustrie. Es ist von Vorteil, daß klares Glas innerhalb des Wellenlängenbereichs von 0,5 bis 2,0 um einen niedrigen Absorptionskoeffizienten aufweist und auf der anderen Seite die dünne Schicht aus transparenter Beschichtung, Lister, Glasfarbe oder Edelmetall innerhalb des oben genannten Wellenlängenbereichs einen hohen Absorptionskoeffizienten besitzt. Der durch die gemäß der Erfindung bewirkte Phasenänderung der dünnen äußeren Schicht auf klarem Glas erhaltene Dekoreffekt ist von hoher Qualität. Darüber hinaus können viele Sortimente an Dekors oder Markierungen ausgewählt und je nach den Wünschen von Kunden ohne irgendwelche nachteilige Effekte bezüglich der Wirtschaftlichkeit oder der Leistungsfähigkeit der Vorrichtung rasch verändert werden.
Andere Möglichkeiten zur Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind die Erzeugung eines Dekors oder von Liniennetzen auf hohlen, axialsymmetrischen Teilen sowohl auf der äußeren als auch der inneren Schicht des Mantels des Teils, wobei der Laserstrahl vom Inneren des Teils her einwirkt.

Claims

1. Verfahren zur gezielten Erzeugung eines Dekors auf hohlen axial- und vorzugsweise rotationssymmetrischen Teilen mit einem Laserstrahl, wobei das hohle Teil aus zwei Schichten, einer inneren Schicht aus einem Material einer maximalen Dicke mit 40 mm mit einem maximalen Absorptionskoeffizienten von 29% und einer äußeren Schicht aus einem Material einer maximalen Dicke von 1,2 mm mit einem minimalen Absorptionskoeffizienten von 75%, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß

- ein Laser einer Wellenlänge von 0,5 bis 2,0 um verwendet wird,

- die Fortpflanzungsachse des Laserstrahls so ausgerichtet wird, daß sie mit einer maximalen Abweichung von ±10 mm mit der Symmetrieachse des hohlen Teils zusammenfällt,

- der Laserstrahl aus dem Inneren des hohlen Teils durch die innere Schicht hindurch auf die äußere Schicht des hohlen Teils gerichtet wird, um eine Phasenänderung an den bestrahlten Stellen der äußeren Schicht hervorzurufen, und

- der Laserstrahl in einer Drehbewegung um die Symmetrieachse und in einer Längsbewegung entlang der Symmetrieachse des hohlen Teils bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl gemäß dem aufzubringenden Dekor in einer zusammengesetzten Bewegung über die äußere Schicht des hohlen Teiles bewegt wird, wobei die zusammengesetzte Bewegung aus einer Drehbewegung um die Symmetrieachse des hohlen Teiles gemäß der Gleichung

x²(z) + y²(z) = r²(z)

und einer Längsbewegung in Richtung der Symmetrieachse des hohlen Teils gemäß der Gleichung

z = f(t)

besteht,

worin bedeuten:

x(z) und y(z) die x- bzw. y-Koordinate, der Stelle der Wechselwirkung des Laserstrahls mit der äußeren Schicht des hohlen Teils in der Ebene z,

r&sub1;(z) den Radius der inneren Wand der äußeren Schicht in der Ebene z

und

f(t) eine mit der Zeit zunehmende Funktion.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der Symmetrieachse des hohlen Teils vorgesehener Spiegel, der den von der offenen Seite des hohlen Teils her eingestrahlten Laserstrahl an die innere Oberfläche reflektiert, gemäß dem zu erzeugenden Dekor ohne Bewegung des hohlen Teils in einer Drehbewegung um und in einer Längsbewegung entlang der Symmetrieachse des hohlen Teils bewegt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehbewegung und die Längsbewegung des Laserstrahls mit einem optischen Aufnehmer und/oder einem Mikrocomputer gesteuert wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die einen Laser, eine Fokussierlinse (5) und einen in der Fortpflanzungsachse des Laserstrahls (1) angeordneten Spiegel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Spiegel (6) in der optischen Achse (4) der Linse (5) angeordnet ist,

- ein den Spiegel (6) tragender Träger (8) vorgesehen ist, der so ausgebildet ist, daß er in ein hohles Teil (2) eingeführt und so eingestellt werden kann, daß die optische Achse (4) der Linse (5) mit einer vorgegebenen Genauigkeit mit der Symmetrieachse (3), vorzugsweise der Drehachse des hohlen Teils, zusammenfällt, und der um die Symmetrieachse (3) des hohlen Teils (2) herum drehbar und entlang dieser verschiebbar ist, so daß der Spiegel in Längsrichtung oder translatorisch entlang der optischen Achse (4) der Linse (5) und darum drehbar beweglich ist,

- der Träger (8) für die translatorische Bewegung eine Antriebseinrichtung aufweist,

- die Linse (5) eine am Träger (8) befestigte Fokussiereinrichtung aufweist,

und

- der Spiegel (6) und die Linse (5) unabhängig voneinander in Längsrichtung beweglich sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (5) und der Spiegel (6) auf dem Träger (8) vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Blende zur Unterbrechung des Laserstrahls (1) gemäß dem gewünschten, auf dem hohlen Teil (2) aufzubringenden Dekormuster.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch einen optischen Aufnehmer, der gemäß dem betreffenden Dekormuster elektrische Signale erzeugt und die translatorische Bewegung und die Drehbewegung des Trägers (8) und/oder des Spiegels (6) und gewünschtenfalls der Blende steuert.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch einen Mikrocomputer, der die translatorische Bewegung und die Drehbewegung des Trägers (8) und/oder des Spiegels (6) und gewünschtenfalls der Fokussiereinrichtung der Linse (5) und gewünschtenfalls der Blende steuert.