DE3826355A1 - Verfahren zum beschriften von verbundbauteilen mit laserstrahlung und mit diesem verfahren hergestelltes verbundbauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Be­ schriften von Verbundbauteilen mit Laserstrahlung, insbesondere für Sicherheitsscheiben, bei dem von mehreren miteinander verbundenen Bauteilschichten eine mindestens teiltransparent ist.

Im Automobilbau werden Verbundglasscheiben eingesetzt und im Apparatebau werden Sicherheitsscheiben verwendet, die jeweils eine Kennzeichnung mit Prüfnummer aufweisen müssen. Diese werden auf dem Wege einer Beschriftung angebracht.

Herkömmlicherweise erfolgt eine solche Beschriftung entweder dadurch, daß auf einer Außenfläche einer Verbundscheibe ein Farbstoff im Siebdruckverfahren aufgebracht wird, oder daß die aus Glas bestehende Scheibenoberfläche mit einem Ätzstempel unter Verwendung von Flußsäure angeätzt wird. Bei beiden Verfahren ist ein mechanischer Kontakt erforderlich, nämlich entweder der Kontakt zwischen der Schablone und der zu beschriftenen Verbundscheibe, oder zwischen letzterem und dem Ätzstempel. Das Ätzverfahren hat noch den Nachteil eines relativ hohen Verschleißes des Ätzstempels.

Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, Glas mit Laser­ strahlung zu beschriften, und zwar unter der Verwendung eines Kohlendioxidlasers. Die Laserstrahlung bewirkt die Beschriftung durch Aufschmelzung des Glases, verbunden mit einem Abdampfen der obersten Werkstoffschichten. Die dabei auftretende thermische Schockwirkung bedingt Risse, die von der Oberfläche aus in tiefere Schichten des Werkstoffs gelangen können. Infolgedessen werden bei diesem Beschriftungsvorgang Fehlstel­ len erzeugt, die insbesondere für hoch bruchfeste Anwendungen von Sicherheitsscheiben, für die eine Beschriftung aus Sicherheitsgründen hauptsächlich von Bedeutung ist, nicht in Frage kommt. Außerdem ist bereits vorgeschlagen worden, die Beschriftung mit Laserstrahlung vorzunehmen, durch die eine Abtragung mit vernachlässigbarer Dicke der Schmelzschicht erfolgt und ohne sichtbare Rißbildung. Dadurch wird aber auch die Erkennbarkeit der Beschriftung relativ schlecht, so daß zusätzliche Maßnahmen getroffen werden müssen, um die Er­ kennbarkeit zu verbessern.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß eine ausreichend erkennbare Beschriftung mit Laserstrahlung ohne Schädigung der Oberfläche des Verbundbauteils ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß für die transparen­ te Bauteilschicht ein Werkstoff verwendet wird, dessen Transmissionsrate für die zum Beschriften verwendete Laser­ strahlung größer ist, als die Transmissionsrate des Werkstoffs der zweiten Bauteilschicht, und daß die Beschriftung dieser zweiten Schicht durch die erste, transparente Schicht hindurch mit letztere unbeschädigt lassenden Intensitäts- und Leistungs­ parametern der Strahlung erfolgt.

Damit wird die Beschriftung berührungslos durchgeführt.

Die Laserstrahlung durchsetzt die transparente Bauteilschicht und wirkt auf die zweite, eine geringere Transmissionsrate ihres Werkstoffs aufweisende Bauteilschicht ein. Diese liegt im Inneren des Verbundbauteils und ist entsprechend geschützt, die Beschriftung kann also nicht verfälscht werden. Die im Inneren des Verbundbauteils vorhandene Beschriftung steigert auch die Sicherheit des Verbundbauteils durch Vermeidung einer irgendwie gearteten Beeinflussung der Oberfläche der transparenten Bauteilschicht. Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist es, daß die Bauteilschichten unterschiedliche Transmissions­ raten für die Laserstrahlung aufweisen, so daß durch ent­ sprechende Wahl der Transmissionsraten und der Intensitäts- und Leistungsparameter der Laserstrahlung bestimmt werden kann, daß letztere nur in einer der Bauteilschichten wirksam wird, nämlich in der zweiten Bauteilschicht, und dort im Grenzbereich zur ersten Bauteilschicht. Die Beschriftung, die ohne die Verwendung zusätzlichen Werkstoffs erfolgt, ist und bleibt durch die außen liegende Scheibe vor abrasiven und korrodieren­ den Einflüssen geschützt. Die Beschriftung der zweiten Schicht mit Laserstrahlung gestattet es, Intensitäts- und Leistungs­ parameter den jeweiligen Anforderungen entsprechend von einem Rechner steuern zu lassen.

Vorteilhafterweise wird als erste Bauteilschicht eine Glasschicht verwendet, die eine erhebliche Transmissionsrate für Laserstrahlung aufweist. Von dieser Glasschicht wird also nur vergleichsweise wenig Energie der Laserstrahlung absor­ biert, wobei das Verfahren so gesteuert werden kann, daß die Absorption in der Glasschicht nicht zu deren Schmelzen bzw. zu deren Zersetzen führt, während die transmittierte Laser­ strahlung in der Lage ist, auf die zweite Bauteilschicht einzuwirken. Zur Anwendung bei Glas kommen insbesondere Wellenlängen des Lichts aus dem sichtbaren Bereich bis hin zum UV-Bereich. Die Auswahl wird in Abhängigkeit von den Absorp­ tionseigenschaften des verwendeten Werkstoffs der zweiten Bauteilschicht getroffen und je nach dem, welche Änderung bzw. Zersetzung des Werkstoffs erreicht werden soll. Als solche Änderungen kommen die Änderungen der chemischen Struktur in Frage wodurch eine Änderung des Farbeindrucks durch chemische Umwandlung erreicht wird, oder eine Änderung der makrosko­ pischen Struktur, wobei z. B. ein Verdampfen mit anschließender Rekondensation bewirkt wird.

Als zweite Bauteilschicht wird eine zwei Glasscheiben mit­ einander verklebende Polymerschicht verwendet. Derartige Poly­ merschichten sind in diesem Fall glasklar und hinsichtlich ihrer Zusammensetzung zum Verkleben von Glas an sich bekannt. Mit diesem Verfahren können also herkömmliche dreischichtige Verbundglasscheiben hergestellt werden.

Insbesondere kann die Beschriftung nach Fertigstellung der Sicherheitsscheibe erfolgen, also als letzter Schritt im Fer­ tigungsprozeß z. B. nach der Endkontrolle. Durch dieses Verfah­ ren wird sichergestellt, daß das Produkt auch tatsächlich die durch seine Beschriftung garantierten Eigenschaften hat und be­ hält, daß heißt, daß durch das Beschriftungsverfahren die Eigenschaften nicht beeinträchtigt sind.

Zum Beschriften wird ein Xenon-Fluorid-Eximerlaser oder ein bedarfsweise Neodym-YAG-Laser verwendet, deren Wellenlängen im Bereich hoher Transmission oder sogar in der Nähe eines lokalen Maximums der Transmissionsrate für Glas liegt und da­ mit gewährleisten, daß ein Minimum der Strahlungsenergie in der Glasscheibe bei deren Durchstrahlung verbleibt.

In Ausgestaltung der Erfindung ist die Laserstrahlung ge­ pulst und die Beschriftung erfolgt durch Zersetzung der Polymerschicht bei Anwendung mehrerer aufeinander folgender Impulse. Infolgedessen ist eine Steuerung der Beschriftung durch die Wahl der Impulsgrößen möglich, beispielsweise durch die Wahl von Impulshöhe und -länge sowie durch die Wahl der Pulspausenlänge. Die Anwendung von Laserimpulsen vermeidet die Überlastung der durchstrahlten Schicht und gestattet eine gezielte und dosierte Zersetzung der zu beschriftenden Schicht.

Des weiteren wird das Verfahren vorteilhafterweise so durchgeführt, daß die Beschriftung unter Verwendung einer Maske mit dem gewünschten Abbildungsmaßstab von der Laserstrahlung auf das Verbundbauteil projiziert wird und/oder daß ein fokussierter Laserstrahl unter Verwendung einer Ablenkoptik die Beschriftung vornimmt.

Das erste Verfahren mit einer Maske wird insbesondere dann angewendet, wenn eine Vielzahl von Verbundbauteilen mit jeweils der gleichen Beschriftung versehen werden soll. Die Verwendung eines fokussierten Laserstrahls empfiehlt sich insbesondere dann, wenn die Verbundbauteile unterschiedlich beschriftet werden sollen, weil dann eine Rechnersteuerung eingesetzt werden kann, um die unterschiedlichen Schriftbilder bei kurzen Taktzeiten zu erzielen. Die Rechnersteuerung kann auch dann herangezogen werden, wenn dieselbe Abbildung bei unterschied­ lich gestalteten Verbundbauteilen angewendet werden soll, die mit unterschiedlichen Intensitäts- und Leistungsparametern bestrahlt werden müssen.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verbundbauteil aus mehreren miteinander verbundenen Schichten, insbesondere auf eine Sicherheitsscheibe für den Automobil- oder Apparatebau, von denen eine mindestens teiltransparent ist, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Verbundbauteil eine von der transparenten Bauteilschicht abgedeckte Beschriftung aufweist, die aus einer mit Laserstrahlung durch die transparente Bauteilschicht hindurch geänderten Werkstoffstruktur des bestrahlten Werkstoffs besteht. Diese Änderung betrifft entwe­ der die chemische Struktur, worunter z. B. eine chemische Umwandlung des Werkstoffs des zu beschriftenden Verbundbauteils zur Erzielung eines bestimmten Farbeindrucks zu verstehen ist, oder eine Änderung der makroskopischen Struktur des Werkstoffs, beispielsweise ein Verdampfen mit anschließender Rekondensa­ tion.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestell­ ten Diagrammen näher erläutert. Es zeigt:.

Fig. 1 die Transmissionsrate T in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für unterschiedliche Werkstoffe, und

Fig. 2 die Laserintensität I sowie die absorbierte Inten­ sität I _ABS in Abhängigkeit vom Weg X durch unter­ schiedliche Medien.

Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die unterschiedlichen Absorptionseigenschaften der verwendeten Werkstoffe von Bedeutung. Fig. 1 zeigt als obere Kurve 3 den Verlauf der Transmissionsrate T im Bereich von 350 bis 400 nm für Glas. Es ist ersichtlich, daß dieser Werkstoff bei ca. 371 nm ein relatives Maximum hat. Die Transmissionsrate ist in diesem Bereich also besonders groß. Im Vergleich dazu ist die Transmissionsrate von Polymer gemäß Kurve 4 bei Wellenlängen kleiner als 375 nm weniger als 1%, daß heißt, die Strahlung wird praktisch vollständig absorbiert. Für das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich, daß die optimale Wellenlänge zur Beschriftung etwa bei 371 nm liegt, weil der größte Teil der Energie des Strahls durch diesen Werkstoff hindurchgeht, andererseits aber eine dünne Schicht des Polymers bereits ausreicht, um die gesamte Energie der Lichtstrahlung zu absorbieren.

Der Wellenlängenbereich mit 371 nm ist zur Zeit nur Farb­ stofflasern zugänglich. In benachbarten Wellenlängenbereichen, in denen also die Transmissionsrate nicht ganz so hoch ist, können beispielsweise der Xenon-Fluor-Eximerlaser verwendet werden, der bei einer Wellenlänge von 351 nm eine Trans­ missionsrate von 35% hat, oder es können Festkörperlaser verwendet werden, und zwar mit einer Harmonischen, z. B. der dritten Harmonischen des Neodym-YAG-Lasers mit einer Wellen­ länge von 355 nm bei einer Transmissionsrate von 45% im Glas.

Fig. 2 zeigt Darstellungen für die nacheinander folgende Durchstrahlung verschiedener Schichten mit Laserlicht, nämlich eine Luftschicht, eine Glasschicht und eine Polymerschicht. Die Glasschicht ist als Bauteilschicht 1 bezeichnet und die Polymerschicht als Bauteilschicht 2. Außerdem ist im unteren Teil der Fig. 2 die Zersetzungsschwelle von Glas eingezeichnet, welche über der Zersetzungsschwelle der Polymerschicht liegt, wobei letztere ein Bereich ist, während die Zersetzungsschwelle von Glas infolge der festliegenden Schmelztemperatur einer einzigen I _ABS zugeordnet ist.

Die Luft absorbiert keine Laserstrahlung, so daß der Kurvenverlauf in Fig. 2 oben X-Achsen-parallel ist und in Fig. 2 unten mit der X-Achse zusammenfällt. In Glas wird nur wenig Laserstrahlung absorbiert, weil Glas eine hohe Transmissions­ rate T hat. Infolgedessen fällt die Intensität I in der Bauteilschicht 1 nur wenig ab. Die absorbierte Intensität zeigt über die Dicke der Schicht 1 geringe und abnehmende Werte, die unterhalb der Zersetzungsschwelle des Glases liegen, so daß letzteres nicht beschädigt wird. Die abfallenden Werte von I _ABS in Glas erklären sich durch die mit wachsender Dicke geringer werdende Intensität gemäß Fig. 2, oberer Teil, so daß auch die pro Volumeneinheit absorbierte Intensität I _ABS entsprechend abnimmt.

Die Bauteilschicht 2 hat eine geringe Transmissionsrate T bzw. eine hohe Absorption, so daß die Intensität der Strahlung sehr schnell auf sehr geringe Werte abfällt. Dementsprechend groß ist die absorbierte Intensität I _ABS mit einem Spitzenwert 5, der die Zersetzungsschwelle von Polymer erreicht und über­ schreitet, so daß dort Änderungen der Struktur des Polymers erreicht werden.

Zur Beschriftung der Bauteilschicht 2 durch die Bauteil­ schicht 1 hindurch werden die Intensitäts- und Leistungspara­ meter einer Strahlung mit geeigneter Wellenlänge so einge­ stellt, daß die unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der Werkstoffe ausgenutzt werden. Während die Polymerschicht bzw. die Bauteilschicht 2 gezielt beschädigt wird, allerdings nur in einem Teilbereich ihrer Dicke, bleibt die Bauteilschicht insgesamt unbeschädigt, weil die absorbierte Leistung zu einem Aufschmelzen nicht ausreicht.

Claims (8)

1. Verfahren zum Beschriften von Verbundbauteilen mit Laser­ strahlung, insbesondere für Sicherheitsscheiben, bei dem von mehreren miteinander verbundenen Bauteilschichten eine mindestens teiltransparent ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die transparente Bauteilschicht (1) ein Werkstoff verwendet wird, dessen Transmissionsrate (T) für die zum Beschriften verwendete Laserstrahlung größer ist, als die Transmissionsrate (T) des Werkstoffs der zweiten Bauteilschicht (2), und daß die Beschriftung dieser zweiten Schicht (2) durch die erste, transparente Schicht (1) hindurch mit letztere unbeschä­ digt lassenden Intensitäts- und Leistungsparametern der Strahlung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als erste Bauteilschicht (1) eine Glasschicht verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als zweite Bauteilschicht (2) eine zwei Glasscheiben miteinander verklebende Polymer­ schicht verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beschriftung nach Fertigstellung der Sicherheitsscheibe erfolgt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Xenon-Fluorid-Eximerlaser oder ein bedarfsweise fre­ quenzvervielfachter Neodym-YAG-Laser verwendet wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung gepulst ist und die Beschriftung durch Zersetzung der Polymerschicht bei Anwendung mehrerer aufeinander folgender Impulse erfolgt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ schriftung unter Verwendung einer Maske mit dem gewünsch­ ten Abbildungsmaßstab von der Laserstrahlung auf das Verbundbauteil projiziert wird und/oder daß ein fokussier­ ter Laserstrahl unter Verwendung einer Ablenkoptik die Be­ schriftung vornimmt.

8. Verbundbauteil aus mehreren miteinander verbundenen Schichten, insbesondere Sicherheitsscheibe für den Automobil- oder Apparatebau, von denen eine mindestens teiltransparent ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verbundbauteil eine von der transparenten Bauteilschicht (1) abgedeckte Beschriftung aufweist, die aus einer mit Laserstrahlung durch die transparente Bauteilschicht (1) hindurch geänderten Werk­ stoffstruktur des bestrahlten Werkstoffs besteht.