EP0605803A1 - Farbige Beschriftung von Kunststoff-Oberflächen mittels Laser-Strahlung - Google Patents

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EP0605803A1
EP0605803A1 EP93119711A EP93119711A EP0605803A1 EP 0605803 A1 EP0605803 A1 EP 0605803A1 EP 93119711 A EP93119711 A EP 93119711A EP 93119711 A EP93119711 A EP 93119711A EP 0605803 A1 EP0605803 A1 EP 0605803A1
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EP
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plastic
laser
labeled
carrier material
wavelength
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EP93119711A
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Ulrich Haack
Klaus Dr. Kurz
Kurt Dr. Witan
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Hoechst AG
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Hoechst AG
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Publication date
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    • B41M5/00—Duplicating or marking methods; Sheet materials for use therein
    • B41M5/26—Thermography ; Marking by high energetic means, e.g. laser otherwise than by burning, and characterised by the material used
    • B41M5/382—Contact thermal transfer or sublimation processes
    • B41M5/38207—Contact thermal transfer or sublimation processes characterised by aspects not provided for in groups B41M5/385 - B41M5/395
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B41M5/0358—Duplicating or marking methods; Sheet materials for use therein by transferring ink from the master sheet by sublimation or volatilisation of pre-printed design, e.g. sublistatic characterised by the mechanisms or artifacts to obtain the transfer, e.g. the heating means, the pressure means or the transport means
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    • B41M5/26—Thermography ; Marking by high energetic means, e.g. laser otherwise than by burning, and characterised by the material used
    • B41M5/267—Marking of plastic artifacts, e.g. with laser

Definitions

  • the invention relates to a method for producing color-printed plastic surfaces by applying a dye to the plastic surface by means of LASER radiation.
  • Nd YAG LASER (wavelength: 1064 nm) or a frequency-doubled Nd: YAG LASER (wavelength: 532 nm) preferably being used.
  • a specifically adjustable color change cannot be implemented flexibly: In general, only light fonts on a dark background or dark fonts on a light background are possible. Furthermore, the color change is strongly influenced by the plastic to be labeled.
  • the object of the present invention is to find a method which avoids the disadvantages mentioned and with which colored characters can be applied flexibly and at low cost to a plastic surface of constant quality.
  • the selection of dyes to be transferred and the selection of plastics to be labeled should be as large as possible. In addition, the effects of carbonization and combustion of the substrate plastic should be minimized.
  • the invention thus relates to a method for inscribing plastics, in which a carrier material which is provided with a sublimable dye is pressed against the plastics to be inscribed, preferably by means of a LASER emitting in the visible wavelength range, preferably a frequency-doubled Nd: YAG LASER ( Wavelength: 532 nm), the plastic surface is provided with colored characters.
  • a carrier material which is provided with a sublimable dye is pressed against the plastics to be inscribed, preferably by means of a LASER emitting in the visible wavelength range, preferably a frequency-doubled Nd: YAG LASER ( Wavelength: 532 nm)
  • the plastic surface is provided with colored characters.
  • the LASER beam causes the dye from a carrier material (transparent at the wavelength of the LASER) to be transferred to the plastic surface.
  • part of the LASER energy is absorbed in the substrate material, as a result of which the dye is fixed on the plastic surface.
  • a frequency-doubled Nd: YAG laser is the Wavelength 532 nm. This can be guided over the carrier material in such a way that the plastic surface can be provided with the desired signs or symbols. Since dyes usually absorb - at least partially - in the visible region of the wavelength spectrum, the radiation energy is absorbed in the dyes at 532 nm. As a result, these diffuse from the carrier material onto the plastic surface.
  • the carrier material should generally not absorb at the wavelength of 532 nm, while the plastic surface to be printed supports the fixation of the diffusing dye by energy absorption. Subsequent fixation is also possible. This can be achieved either by conventional heat sources, or LASER radiation in a second radiation step, or by infrared radiation. It is also possible to first pre-label the substrate without a carrier material and then in a second step to carry out a colored labeling using a carrier film. Under certain circumstances, this can increase the adhesive strength of the lettering.
  • the carrier material provided with dye is pressed firmly onto the material to be labeled, because this causes the energy transfer to be focused sharply onto the surface to be labeled and extremely sharp contours form. Additional aids can also be used to support the pressing.
  • Suitable parameters of the LASER used are: The repetition frequency is in the range from 1 to 20, preferably 4 to 6 kHz, the lamp current in the range from 15 to 25, preferably at 20 A and the speed in the range from 5 to 50, preferably 20 up to 30 mm / sec.
  • Suitable dyes or mixtures of dyes have proven to be those which are applied to a carrier material in the form of a film or a coating and which sublime with a low energy input. These are known and are described, for example, in Color Index. This also includes products sold under the names (R) Lurafix (manufacturer BASF AG, Ludwigshafen, Federal Republic of Germany) or (R) Resiren (manufacturer Bayer G, Leverkusen, Federal Republic of Germany).
  • suitable carrier materials which generally do not absorb energy at all or only slightly absorb it at the wavelength of the frequency-doubled YAG LASER are e.g. Polyethylene, polypropylene or polyester films, preferably polypropylene films are used.
  • Suitable plastic materials are those which at least partially absorb the radiated energy of the wavelength of the frequency-doubled YAG LASER.
  • suitable fillers, dyes and / or pigments that allow such absorption are added to the plastic materials.
  • Preferred plastics are e.g. Polyacetals, such as polyoxymethylene homo- and copolymers, polyesters, such as polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate, liquid-crystalline polyesters, polyarylene sulfides, and also polypropylene provided with reinforcing agents and / or fillers, whose copolymers with other monoolefins and whose blends with impact modifiers. Mixtures of different polymers can also be used.
  • fillers such as chalk, mica, talc, feldspar, wollastonite, aluminum silicate, furthermore antioxidants, light stabilizers, flame retardants, heat stabilizers, reinforcing agents such as glass fibers, or processing aids which are used in the processing of plastics are common.
  • the molded parts produced from the plastic molding compositions by conventional methods can be of any type and size, which are then labeled using the method according to the invention.
  • the labeled molded parts can be used in all fields of technology, for example in the labeling of containers (cans and foils), in the electronics and power and air vehicle industries, in device construction, in apparatus engineering and in other fields of application known to the person skilled in the art.
  • a polypropylene film printed flat with the dye (CI Disperse Red 60, CI 60756) is placed on a plate-shaped plastic test specimen made of polyoxymethylene (POM) with an MFI (2.16 kg, 190 ° C) of 9 g / 10 min. placed and exposed to the radiation of a frequency-doubled Nd: YAG laser (wavelength: 532 nm). The repetition frequency was 5 KHz, the lamp current was 20 A and the speed was 25 mm / sec. During the radiation period, the LASER beam was moved in such a way that characters appeared on the test specimen. After removing the film, the dye in the irradiated zone penetrated the plastic and gave a perfect typeface.
  • POM polyoxymethylene
  • Example 1 was repeated using sublimation dyes of a different color instead of the red dye, which likewise gave uniform results.
  • Example 1 was repeated, using a flat printed polyethylene film instead of a polypropylene film printed with CI Disperse Red 60. The result was similar to that of Example 1. 6 to 9)
  • Example 1 was repeated, using instead of POM plate-shaped specimens from other plastic molding compositions.
  • Example 1 Sublimation dye plastic 6 CI Disperse Red 60 Polybutylene terephthalate 7 CI Disperse Red 60 reinforced polypropylene 8th CI Disperse Red 60 Polyphenylene sulfide 9 CI Disperse Red 60 liquid crystalline polyester
  • Example 1 Example 1 was repeated, with a plate-shaped plastic molded body made of polybutylene terephthalate being initially labeled without the use of a colored film solely by the action of laser beams.
  • a polypropylene film printed with CI Disperse Red 60 was then placed on the test specimen and, this time in color, labeled according to Example 1. An abrasion-resistant lettering resulted.

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Abstract

Verfahren zur Beschriftung von Kunststoffen, bei dem ein Trägermaterial, das mit einem sublimierbaren Farbstoff versehen ist, gegen den zu beschriftenden Kunststoff gepreßt wird, bei dem mittels eines im sichtbaren Wellenlängenbereich emittierenden LASERs (Wellenlänge 532 nm), die Kunststoff-Oberfläche mit farbigen Zeichen versehen wird. Dadurch werden abriebfeste farbige Zeichen mit hoher Auflösung erhalten.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von farbig bedruckten Kunststoff-Oberflächen, indem ein Farbstoff mittels LASER-Strahlung auf die Kunststoff-Oberfläche aufgebracht wird.
  • Es ist bekannt, Kunststoff-Oberflächen mittels LASER-Strahlung zu beschriften, wobei vorzugsweise ein Nd:YAG-LASER (Wellenlänge: 1064 nm) oder ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-LASER (Wellenlänge: 532 nm) Verwendung findet. Dabei ist eine gezielt einstellbare Farbänderung nicht flexibel realisierbar: Im allgemeinen sind nur helle Schriften auf dunklem Hintergrund oder dunkle Schriften auf hellem Hintergrund möglich. Desweiteren wird die Farbänderung durch den zu beschriftenden Kunststoff stark beeinflußt.
  • Weiterhin sind Verfahren bekannt, Teile aus Kunststoff mit farbigen Zeichen zu versehen, beispielsweise durch Heißprägen, Mehrfarbenspritzguß, Thermofixierdruck oder Transferdruck bzw. Sublimationsdruck. Nachteile dieser Verfahren sind insbesondere mangelnde Flexibilität und daher zu hohe Kosten bei geringen Stückzahlen. Außerdem ist eine computer-integrierte Fertigung - wie sie heute in der Elektro/Elektronik-und Kfz-Industrie immer mehr zum Einsatz kommt - nicht oder nur bedingt möglich. Weiterhin ist bei diesen Verfahren die teilweise Verwendung von Farblösungsmittel und die damit verbundene Entsorgungsproblematik, sowie mangelnde Reproduzierbarkeit bei dem Farbstoffeintrag nachteilig.
  • Ebenfalls bekannt ist ein Verfahren zur farbigen Beschriftung von Kunststoffen, indem durch die Laserstrahlung Farbstoffe in die punktuell erhitzte Oberfläche des Kunststoffes eindiffundieren (EP-A-0 201 627). Dabei wird ein Nd:YAG-Laser der Wellenlänge 1064 nm eingesetzt. Da die Absorption von Farbstoffen bei Wellenlängen des nahen Infrarot im allgemeinen nicht sehr groß ist, kann mit diesem Verfahren nicht jede beliebige Farbe auf die Kunststoff-Oberfläche aufgebracht werden. Außerdem ist ein punktuelles Erhitzen der Kunststoff-Oberfläche erforderlich, um haftfeste Beschriftungen zu erzielen. Dies schränkt ebenfalls die Substrat-Auswahl ein, da hierfür im nahen Infrarot absorbierende Materialien erforderlich sind. Neigen die Substratmaterialien bei der Wellenlänge des YAG-LASERS zu einer Carbonisierung oder Verbrennung - z.B. aromatische Struktureinheiten tragende Polymere -, so ist auch keine gute Farbdeckung gewährleistet.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu finden, das die genannten Nachteile vermeidet und mit dem flexibel und bei geringem Kostenaufwand farbige Zeichen auf eine Kunststoff-Oberfläche mit konstanter Qualität gebracht werden können. Dabei soll die Auswahl an zu übertragenden Farbstoffen, sowie die Auswahl an zu beschriftenden Kunststoffen möglichst groß sein. Außerdem sollen die Effekte der Carbonisierung und Verbrennung des Substrat-Kunststoffes minimiert werden.
  • Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Beschriftung von Kunststoffen, bei dem ein Trägermaterial, das mit einem sublimierbaren Farbstoff versehen ist, gegen den zu beschriftenden Kunststoff gepreßt wird, wobei mittels eines im sichtbaren Wellenlängenbereich emittierenden LASERs, vorzugsweise ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-LASER (Wellenlänge: 532 nm), die Kunststoff-Oberfläche mit farbigen Zeichen versehen wird.
  • Der LASER-Strahl bewirkt bei diesem Verfahren, daß der Farbstoff aus einem Trägermaterial (transparent bei der Wellenlänge des LASERs) auf die Kunststoff-Oberfläche übertragen wird. Gleichzeitig wird ein Teil der LASER-Energie in dem Substratmaterial absorbiert, wodurch eine Fixierung des Farbstoffes auf der Kunststoff-Oberfläche erreicht wird.
    Erfindungsgemäß ist dabei ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser der Wellenlänge 532 nm einzusetzen. Dieser kann derart über das Trägermaterial geführt werden, daß die Kunststoff-Oberfläche mit den gewünschten Zeichen oder Symbolen versehen werden kann. Da üblicherweise Farbstoffe im sichtbaren Bereich des Wellenlängenspektrums - zumindest teilweise - absorbieren, findet bei 532 nm eine Absorption der Strahlungsenergie in den Farbstoffen statt. Diese diffundieren dadurch aus dem Trägermaterial auf die Kunststoff-Oberfläche. Das Trägermaterial soll in dem Verfahren bei der Wellenlänge von 532 nm im allgemeinen nicht absorbieren, während die zu bedruckende Kunststoff-Oberfläche durch Energie-Absorption eine Fixierung des diffundierenden Farbstoffs unterstützt. Auch ist zusätzlich eine nachträgliche Fixierung möglich. Dies kann entweder durch übliche Wärmequellen, oder LASER-Strahlung in einem zweiten Bestrahlungsschritt oder durch Infrarotbestrahlung erreicht werden. Es ist auch möglich, zunächst eine Vorbeschriftung des Substrates ohne Trägermaterial und danach in einem zweiten Schritt erst eine farbige Beschriftung mit Hilfe einer Trägerfolie durchzuführen. Unter Umständen kann dies die Haftfestigkeit der Beschriftung erhöhen.
  • Es ist zweckmäßig, daß das mit Farbstoff versehene Trägermaterial fest an das zu beschriftende Material gepreßt wird, weil dadurch der Energieübergang scharf gebündelt auf die zu beschriftende Oberfläche geschieht und sich extrem scharfe Konturen bilden. Es können auch weitere Hilfsmittel eingesetzt werden, die das Anpressen unterstützen.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, farbige Zeichen abriebfest und mit hoher Auflösung auf eine Kunststoff-Oberfläche aufzubringen.
    Geeignete Parameter des eingesetzten LASERs sind: Die Wiederholfrequenz liegt im Bereich von 1 bis 20, vorzugsweise 4 bis 6 kHz, die Lampen-Stromstärke im Bereich von 15 bis 25, vorzugsweise bei 20 A und die Geschwindigkeit im Bereich von 5 bis 50, vorzugsweise 20 bis 30 mm/sec.
  • Als geeignete Farbstoffe bzw. Mischungen von Farbstoffen haben sich solche erwiesen, die auf einem Trägermaterial in Form eines Films oder einer Beschichtung aufgebracht sind und die bei geringer Energiezufuhr sublimieren. Diese sind bekannt und beispielsweise in Color Index beschrieben. Hierzu zählen auch Produkte, die unter den Namen (R)Lurafix (Hersteller BASF AG, Ludwigshafen, Bundesrepublik Deutschland) oder (R)Resiren (Hersteller Bayer G, Leverkusen, Bundesrepublik Deutschland) im Handel sind.
  • Beispiele für geeignete Trägermaterialien, die bei der Wellenlänge des frequenzverdoppelten YAG-LASERs im allgemeinen nicht oder nur geringfügig die Energie absorbieren, sind z.B. Polyethylen-, Polypropylen- oder Polyesterfolien, wobei bevorzugt Polypropylenfolien eingesetzt werden.
  • Geeignete Kunststoff-Materialien sind diejenigen, welche die eingestrahlte Energie der Wellenlänge des frequenzverdoppelten YAG-LASERs zumindest partiell absorbieren. Im allgemeinen sind den Kunststoff-Materialien geeignete Füllstoffe, Farbstoffe und/oder Pigmente zugesetzt, die eine solche Absorption ermöglichen. Bevorzugte Kunststoffe sind z.B. Polyacetale, wie Polyoxymethylenhomo- und -copolymere, Polyester, wie Polyethylenterephthalat und Polybutylenterephthalat, flüssig-kristalline Polyester, Polyarylensulfide, sowie mit Verstärkungs- und/oder Füllstoffen versehenes Polypropylen, dessen Copolymere mit anderen Monoolefinen und dessen Blends mit Schlagzähmodifikatoren. Auch können Gemische verschiedener Polymere verwendet werden.
  • Je nach Verwendungszweck können der Formmasse noch weitere Stoffe zugesetzt werden, beispielsweise Füllstoffe wie Kreide, Glimmer, Talkum, Feldspate, Wollastonit, Aluminiumsilikat, ferner Antioxidantien, Lichtschutzmittel, Flammschutzmittel, Hitzestabilisatoren, Verstärkungsmittel, wie Glasfasern, oder Verarbeitungshilfsmittel, welche bei der Verarbeitung von Kunststoffen üblich sind.
  • Die aus den Kunststoff-Formmassen durch übliche Verfahren hergestellten Formteile können beliebiger Art und Größe sein, die dann mit Hilfe des Verfahrens gemäß der Erfindung beschriftet werden.
  • Die beschrifteten Formteile können auf allen Gebieten der Technik verwendet werden z.B. bei der Beschriftung von Behältern (Dosen und Folien), in der Elektronik- und Kraft- und Luft-Fahrzeugindustrie, im Gerätebau, im Apparaturwesen und weiteren, dem Fachmann bekannten Anwendungsbieten.
    • Beispiele

  • 1) Eine mit dem Farbstoff (C.I. Disperse Red 60, C.I. 60756) flächig bedruckte Polypropylenfolie wird auf einen plattenförmigen Kunststoff-Probekörper aus Polyoxymethylen (POM) mit einem MFI (2,16 kg, 190°C) von 9 g/10 min. gelegt und der Strahlung eines frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasers (Wellenlänge: 532 nm) ausgesetzt. Die Wiederholfrequenz lag bei 5 KHz, die Lampenstromstärke bei 20 A und die Geschwindigkeit bei 25 mm/sec. Während der Strahlungsdauer wurde der LASER-Strahl derart bewegt, daß auf dem Probekörper Schriftzeichen entstanden. Nach Entfernen der Folie ist der Farbstoff in der bestrahlten Zone in den Kunststoff eingedrungen und ergab ein einwandfreies Schriftbild.
    2 bis 4) Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei an Stelle des roten Farbstoffes, andersfarbige Sublimationsfarbstoffe benutzt wurden, die ebenfalls einheitliche Ergebnisse lieferten.
    Beispiel Sublimationsfarbstoff
    2 C.I. Disperse orange 25
    3 C.I. Disperse Blue 14
    4 C.I. Disperse Yellow 54

    5) Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei an Stelle einer mit C.I. Disperse Red 60 flächig bedruckten Polypropylenfolie eine flächig bedruckte Polyethylenfolie benutzt wurde. Das Ergebnis glich dem des Beispiels 1.
    6 bis 9) Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei an Stelle von POM plattenförmige Probenkörper aus anderen Kunststoff-Formmassen benutzt wurden.
    Beispiel Sublimationsfarbstoff Kunststoff
    6 C.I. Disperse Red 60 Polybutylenterephthalat
    7 C.I. Disperse Red 60 verstärktes Polypropylen
    8 C.I. Disperse Red 60 Polyphenylensulfid
    9 C.I. Disperse Red 60 flüssigkristalliner Polyester
    Auch hier wurden die gleichen Ergebnisse wie in Beispiel 1 erreicht.
    10 bis 21) Beispiele 6 bis 9 wurden wiederholt, wobei an Stelle von dem roten Farbstoff die in den Beispielen 2 bis 4 genannten Farbstoffe für die Kunststoffe benutzt wurden. Auch hier ergaben sich einwandfreie Resultate.
    22) Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei ein plattenförmiger Kunststoff-Formkörper aus Polybutylenterephthalat zunächst ohne eingefärbte Folie allein durch Laserstrahleinwirkung beschriftet wird. Danach wurde eine mit C.I. Disperse Red 60 flächig bedruckte Polypropylen-Folie auf den Probekörper gelegt und, diesmal farbig, gemäß Beispiel 1 beschriftet. Es ergab sich eine abriebfeste Beschriftung.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Beschriftung von Kunststoffen, bei dem ein Trägermaterial, das mit einem sublimierbaren Farbstoff versehen ist, gegen den zu beschriftenden Kunststoff gepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines im sichtbaren Wellenlängenbereich emittierenden LASERs die Kunststoff-Oberfläche mit farbigen Zeichen versehen wird.
  2. Verfahren nach den Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-LASER (Wellenlänge: 532 nm) Verwendung findet.
  3. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff ein im sichtbaren Wellenlängenbereich absorbierendes Material verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Kunststoff Polyacetal, Polybutylenterephthalat, vestärktes Polypropylen, Polyphenylensulfid oder ein flüssig-kristalliner Polyester verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kunststoff Verstärkungs- und/oder Füllstoffe zugesetzt werden.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst das Substrat ohne Trägermaterial vorbeschriftet wird und dann in einem zweiten Schritt eine farbige Beschriftung erfolgt.
  7. Geformte Gegenstände, die mit Hilfe des Verfahrens gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 mit Zeichen versehen werden.
EP93119711A 1992-12-12 1993-12-07 Farbige Beschriftung von Kunststoff-Oberflächen mittels Laser-Strahlung Ceased EP0605803A1 (de)

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