FI92112C - Menetelmä taustastaan tummempina erottuvien alueiden muodostamiseksi kirkkaaseen metallipintaan ja tällä tavoin värjättyjä alueita käsittävä metallipinta - Google Patents

Description

921 i 2

Menetelmå taustastaan tummempina erottuvien alueiden muo-dostamiseksi kirkkaaseen metallipintaan ja tallå tavoin vårjåttyjå alueita kåsittåvå metallipinta 5 Keksinnon kohteena on menetelmå taustastaan tummem pina erottuvien aluiden muodostamiseksi kirkkaaseen metallipintaan lasersåteen avulla esimerkiksi optisesti luet-tavien merkkien aikaansaamiseksi ja tållå tavoin vårjåttyjå alueita kåsittåvå metallipinta, joka vårjåtyltå alueel-10 ta on oleellisesti sileå ja oleellisesti samalla tasolla tåtå aluetta ympåroivån metallipinnan kanssa.

Lasereita kåytetåån yleisesti pakkausteollisuudessa merkittåesså pakkauksiin påivåmååriå, symboleita ja viiva-koodeja. Myos erilaisten koneiden osien merkintåån kåyte-15 tåån lasereita. Kåytetyt merkintåtavat voidaan jakaa kar-keasti kahteen ryhmåån sen mukaan miten merkki synnyte-tåån: a) pinnan kaivertaminen (sulatus, hoyrystys) b) kemiallisen reaktion/mikrorakenteen muutoksen 20 aikaansaaminen lasersåteellå (låmmitys).

Tavallisesti merkkaukseen kåytetåån Nd-YAG- ja C02-lasereita, joiden pulssien vaikutus perustuu såteen låmpo-vaikutukseen (niiden aallonpituudet ovat infrapuna-alueel-la).

·., 25 Merkattava kuvio muodostetaan joko maskilla, jonka låpi lasersåde kulkee tai liikuttamalla fokusoitua laser-sådettå/kappaletta halutun kuvion aikaansaamiseksi.

Pinnan kaivertamisessa (esim. metallit, muovit) kappaleen pintakerros joko sulatetaan tai siitå hoyryste-30 tåån materiaalia pois. Nåin saadaan syntymåån pinnasta erottuva merkki. Tållaisia menetelmiå ilmenee esimerkiksi hakemusjulkaisuista EP 0 134 469 ja WO 88/10475. Syntyvåå kontrastia voidaan parantaa erilaisilla menetelmillå, kuten on kuvattu esimerkiksi hakemusjulkaisussa WO 89/07302.

35 Eråånå vaihtoehtona pinnan kaivertamiselle on ensin 92112 2 pinnoittaa merkattava pinta aineella, joka muodostaa hyvån kontrastin perusaineen kanssa. Tåman jålkeen pinnoite poistetaan laserilla, jolloin syntyy hyvån kontrastin omaava merkki. Tållainen menettely ilmenee esimerkiksi US-5 patenttijulkaisusta 4 707 722. Samaa menetelmåå kåytetåån esimerkiksi virvoitusjuomapullojen merkinnåsså, jossa eti-ketin painovåri poistetaan laserilla taustapaperin pååltå. Vaalea taustapaperi ja painovåri muodostavat hyvån kontrastin, joten merkki on helposti luettavissa.

10 Yllå kuvatuilla merkitsemistavoilla aikaansaaduille merkeille on tyypillistå, ettå ne rikkovat alkuperåisen pinnan ja ovat sen tasoa alempana.

Kemiallista reaktiota voidaan myos kåyttåå hyvåksi merkkauksessa. On olemassa erilaisia orgaanisia pinnoit-15 teita (lakka), jotka lasersåteen vaikutuksesta (tuodun låmmon tai UV-såteilyn vaikutuksesta) muuttuvat tummaksi valottuneelta alueelta. Samoin voidaan metalli ensin ano-disoida (oksidikerros esimerkiksi titaanin påålle) ja sen jålkeen laserilla pelkiståå syntynyt oksidi, jolloin syn-20 tyy havaittava kontrasti oksidin ja pelkistyneen alueen vålille. Nåin saadaan syntymåån luettava jålki. Tållainen menettely ilmenee esim. US-patenttijulkaisusta 4 547 649.

Esillå olevan keksinnon tavoitteena on aikaansaada menetelmå optisesti luettavien merkkien aikaansaamiseksi 25 metallipintaan siten, ettå metallipinta merkitsemisestå huolimatta on oleellisesti tasainen ja kulutus- ja korroos ionkeståvyydeltåån erittåin hyvå. Tåhån pååståån keksinnon mukaisen menetelmån avulla, jolle on tunnusomaista, ettå metallipintaan kohdistetaan lasersådepulssi, jonka 30 energia on 1...10 J/cm2, edullisesti 3...5 J/cm2, ja kesto Ί 5η8...1με, edullisesti 15...30 ns; lasersådepulssin osumakohtaa metallipinnalla muute-taan siten, ettå uusi osumakohta limittyy aikaisemman osu-makohdan kanssa ja 35 metallipintaan kohdistetaan uusi lasersådepulssi, 3 92112 jolloin metallipinnan alue, jolla pulssit eivat limity keskenåån ja joka rajoittuu uuden pulssin osumakohtaan, saa vårin, joka muodostaa kontrastin alkuperaisen metallipinnan kanssa.

5 Esimerkiksi kromatun metallipinnan tai voimakkaasti kromia sisaltåvån erikoiseteråksen pinnan tapauksessa mer-kit saavat vårsin tumman varin.

Edullisesti yhtenåisen vårjåtyn alueen synnyttåmi-seksi peråkkåisten pulssien reunan etenemå on 0,1 mm tai 10 våhemmån. Tålloin varjåttyjen alueiden tummuus muodostuu sellaiseksi, ettå saavutetaan optista lukua ajatellen riittåvå kontrasti ymparoivån pinnan suhteen. Merkittåvåa on, ettå keksinnon mukaista menetelmåå sovellettaessa ei edellytetå mitåån merkattavan metallipinnan ennalta tapah-15 tuvaa kåsittelyå, kuten kiillotusta, pinnoitusta jollakin erityiskerroksella tai kemiallista kåsittelyå.

Kåytånnosså yllå mainitut pulssien energiatasot ja kestot kyetåån ehkå helpoimmin aikaansaamaan excimer-tyyp-pisen laserin avulla, jolle ovat ominaiset hyvin lyhyet 20 pulssinpituudet, muutamia kymmeniå nanosekunteja, ja lyhyt aallonpituus 198...308 nm (ultraviolettivaloa). Lyhyt pulssin kesto rajoittaa vaikutuksen hyvin ohueeseen pinta-kerrokseen ja lyhyt aallonpituus toimii erilaisella vuoro-vaikutuksella materiaalin kanssa kuin pitempiaaltoinen 25 infrapunasåteily. Excimerlaserin lyhytaaltoinen ultravio-lettivalo on niin energistå, ettå se voi mm. katkoa or-gaanisten aineiden C-C, H-0 yms. sidoksia ilman låmpovai-kutusta. Excimerlaserin koko toimintataajuusalueen eli pulssien toistotaajuusalueen, joka nykyisisså kaupallises-30 ti saatavissa olevissa laitteissa on noin 1...400 Hz, on I! todettu soveltuvan keksinnon mukaisen menetelmån toteutta- miseen. Toimintataajuudella onkin låhinnå merkitystå vain sen nopeuden kannalta, jolla merkkausta kyetåån kåytånnos-så suorittamaan.

35 Keksinnon mukaiselle vårjåttyjå alueita kåsittåvål- 4 9 2112 le metallipinnalle, joka vårjåtyltå alueelta on oleelli-sesti sileå ja oleellisesti samalla tasolla tåtå aluetta ympåroivån metallipinnan kanssa, on puolestaan tunnus-omaista, ettå merkit muodostuvat metallipintaan kohdistet-5 tujen lasersådepulssien keskenåån limittyneiden osumakoh-tien keskenaan limittymåttomistå alueista.

Kåytånnosså on edullista, ettå vårjåtyn alueen vår-jåytyneen pintakerroksen vahvuus on alle Ιμπι. Tållå tavoin merkit eivåt millåån tavoin vaaranna muun pintakerroksen 10 yhtenåisyyttå edes siinå tapauksessa, ettå tåmå pintaker-ros muodostuisi pinnoitteesta metallin pinnassa. Nåinhån on asianlaita esimerkiksi kromattujen metallipintojen tapauksessa, koska kromikerroksen vahvuus on useinkin aina-kin noin 20 μπι.

15 Seuraavassa keksinnon mukaista menetelmåå ja sen avulla aikaansaatavaa metallipintaa kuvataan yksityiskoh-taisemmin viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 esittåå keksinnon mukaisella menetelmållå merkityn metallitangon, 20 kuvio 2 esittåå yksityiskohtaisemmin kuvion 1 mu- kaiseen metallitankoon aikaansaatuja merkkejå, kuvio 3 esittåå poikkileikkauksen kuvion 1 metallitangon pinnan alueesta, joka on kuvioon 2 merkitty leik-kauksena III - III ja 25 kuvio 4 esittåå merkit muodostavien lasersådepuls- sien keskinåisen sijoittumisen metallipinnalla.

Kuviossa 1 on esitetty keksinnon mukaisella menetelmållå aikaansaatuna merkkejå 5 metallitangon 3 pinnal-la. Nåmå merkit 5 ovat kuviossa esitetysså tapauksessa 30 suoria viivoja. Kuviossa 2 on esitetty yksityiskohtaisem- • < *: min nåmå merkit 5, jotka on aikaansaatu keksinnon mukai sella menetelmållå ja jotka erottuvat selvåsti muusta metallitangon 3 pinnasta optisten ominaisuuksiensa, kuten vårin tai tummuuden, perusteella. Kuviossa 3 on esitetty 35 poikkileikkaus yhdestå kuviossa 2 esitetystå merkistå si- 5 92112 ten, ettå nåhdåån metallitangon 3 pintakerros 1 sen pinta 4 ja siinå oleva merkattu alue 2. Pintakerros 1 on kuvi-oissa esitetysså esimerkkitapauksessa kromaus, joka on muodostettu teråksisen tangon 6 pintaan. Tåmån kromauksen 5 vahvuus on noin 30 μιη. Tåmån metallipinnan 1 pintakerrok-seen 4 on keksinnon mukaisella menetelmållå muodostettu merkkialue 2, jonka vahvuus on alle 1 μπι. Tåmån alueen 2 pinta on oleellisesti sileå ja samassa tasossa metallipinnan 1 muun pintakerroksen 4 kanssa. Tåmå onkin luonnollis-10 ta, koska keksinnon mukaisessa menetelmåsså ainetta ei ainakaan oleellisesti hoyrystetå pois tåstå pintakerrok-sesta 4. Mahdollista tosin on, ettå lasersådepulssi pois-taa metallin pinnalta erittåin ohuen oksidikerroksen.

Kuviossa 4 on havainnollistettu tapaa, jolla merkit 15 tehdåån metallipintaan 1 lasersådepulssien avulla. Kuvion 4 mukaisessa esimerkkitapauksessa ensimmåisen pulssin osu-makohtaa on merkitty viitenumerolla 7 ja vastaavasti seu-raavien pulssien osumakohtia viitenumeroilla 8, 9, 10 ja 11. Pulssien osumakohdat on kuviossa piirretty esimerkin-20 omaisesti pyoreiksi, mutta kåytånnosså ne voivat olla jon-kin muunkin muotoisia, kuten esimerkiksi suorakaiteen tai kolmion muotoisia. Ennen kulloinkin seuraavaa pulssia la-sersådettå tai metallipintaa tai miksei myos molempia on siirretty siten, ettå uuden pulssin osumakohta on saatu 25 sirtymåån hivenen sivuun aikaisemmasta osumakohdasta, mutta kuitenkin siten, ettå osumakohdat voimakkaasti limitty-våt keskenåån. Peråkkåisten pulssien reunan etenemå eli måårå, jolla seuraavan pulssin osumakohtaa on siirretty edellisen pulssin osumakohtaan nåhden, saa olla korkein-30 taan 0,04 mm, jotta syntyvåstå vårjåtystå alueesta tulisi yhtenåinen eikå se muodostuisi oleellisesti vårjåytymåtto-mien alueiden erottamista vårjåytyneistå kaistaleista. Toki tållainenkin vårjåystapa saattaa joissakin kåyt-tosovellutuksissa antaa riittåvån kontrastin. Siihen ai-35 kaisemman pulssin osumakohdan alueeseen, jolla uuden puls- 92112 6 sin osumakohta ja aikaisemman pulssin osumakohta eivat ole paallekkain eli limity keskenåån, muodostuu pinta, joka variltåån poikkeaa alkuperåisesta pinnan våristå. Nåitå alueita on kuviossa 4 merkitty viitenumeroilla 7a, 8a, 9a 5 ja 10a. Kromatun metallipinnan tapauksessa nåmå vårilliset alueet ovat varsin tummia. Kåytettåesså peråkkåisten pulssien reunan etenemåå, joka on enintåån 0,1 mm, merkkien kontrastista nåkyvån valon samoinkuin infrapuna- ja mah-dollisesti myos ultraviolettivalon alueella saadaan hyvå 10 tekemåttå prosessista kuitenkaan tarpeettoman hidasta. Kåyttokelpoisena laserlåhteenå voidaan keksinnon mukaises-sa menetelmåsså soveltaa excimer-laseria, jolla yksinker-taisimmin saadaan syntymåån energialtaan sopiva pulssi. Kåytto-kelpoinen energia pulssille on 1...10 J/cm2, edullisesti 15 3...5 J/cm2, ja kesto 5η3...1μβ, edullisesti 15...30 ns.

Peråkkåisten pulssien reunan etenemå saa olla enintåån 0,1 mm, jotta vårjåtystå alueesta muodostuu yhtenåinen. Oleel-lista on havaita, ettå yksittåisen pulssin avulla metalli-pintaan ei saada syntymåån kåytånnosså minkåånlaista jål-20 keå. Vasta pulssien limittåmisellå keskenåån yllå kuvatul-la tavalla saavutetaan haluttu vårjåysvaikutus. Seuraavas-sa keksinnon mukaista menetelmåå havainnollistetaan vielå kahden esimerkin avulla.

Esimerkki 1 ·. 25 Kokeessa selvitettiin erilaisten merkkausparametri- en vaikutusta syntyvån viivan tummuuteen (kontrastiin) ja pinnankarheuteen.

Kåytetyn lasersåteen aallonpituus oli 248 nm (ult-ravioletti). Såde ohjattiin linsseillå kappaleen pinnalle 30 siten, ettå pulssin energiatiheys kappaleen pinnalla oli *! 3,4 J/cm2 tai 4,2 J/cm2. Kummassakin tapauksessa laserpuls sien toistotaajuus oli 200 Hz. Metallipintaa liikutettiin såteeseen nåhden niin, ettå peråkkåisten pulssien vålisek-si metallipinnan etenemåksi saatiin 0,020 mm ja 0,012 mm.

35 Såteen leveys metallipinnalla oli 1 mm ja korkeus 7 92112 liikutussuunnassa vaihteli 0,2 ja 2 mm vålillå.

Metallipintana kåytettiin kovakromia, joka oli pyy-hitty ennen merkkausta kuivalla paperipyyhkeellå. Kovakro-mipinta oli hiottu kromauksen jalkeen siten, ettå pinnan-5 karheuden Ra arvo oli 0,2 μπι tai parempi.

Kokeen tulokset on esitetty taulukossa I.

Taulukko I

10

Sateen Energia Pulssin Viivan Pinnankarheus, Ra korkeus tiheys etenemå tummuus ~ mm J/cm2 mm 0...5 Ennen μπι Jalkeen μπι 15 2 3,4 0,020 3 0,11 0,08 1.2 3,4 0,020 2 0,09 0,09 0,6 3,4 0,020 2 0,11 0,1 0,2 3,4 0,020 1 0,12 0,1 20 2 3,4 0,012 5 0,11 0,08 1.2 3,4 0,012 4 0,08 0,08 0,6 3,4 0,012 4 0,16 0,14 0,2 3,4 0,012 2 0,10 0,1 25 2 4,2 0,020 3 0,09 0,06 1.2 4,2 0,020 2 0,09 0,08 0,6 4,2 0,020 2 0,09 0,08 0,2 4,2 0,020 1 0,10 0,09 30 2 4,2 0,012 5 0,10 0,07 1.2 4,2 0,012 4 0,09 0,09 0,6 4,2 0,012 4 0,08 0,09 0,2 4,2 0,012 3 0,10 0,11 35 Viivan tummuus 0 = kovakromattu pinta 5 = hyvin tumma 1

Nahdåån, etta såteen korkeuden pienentåminen alensi viivan tummuutta. Jatkokokeiden perusteella saa peråttåis-40 ten laserpulssien reunan etenemå olla enintåån 0,1 mm riittåvån tummuuden aikaansaamiseksi ja lisåksi såteen korkeuden liikutussuunnassa on oltava riittåvån suuri suh- 92112 8 teessa kåytettyyn etenemåån/pulssi.

Samaan metallipinnan alueeseen osuneiden pulssien lukumåårå eli pulssien korkeuden ja etenemån suhde vaikut-taa syntyvien merkkien ja niitå ympåroivien alueiden våli-5 seen kontrastiin. Mita suurempi pulssien lukumåårå on, sitå tummempi viiva syntyy.

Energiatiheyden kasvulla ei ole ollut merkittåvåå vaikutusta saavutettuun tummuuteen. Toisaalta kokeet ovat osoittaneet, ettå pienillå energiatiheyksillå (alle 3 10 J/cm2) ei saavuteta riittåvåå tummuutta ja ettå liian suuri energiatiheys (yli 5 J/cm2) taas kaivertaa uran kovakromi-pintaan. Nåiden energiatiheyksien vålillå saavutetaan op-timi yhdistelmå tummuuden ja pinnan tasaisuuden kesken.

Mitatut pinnankarheuden arvot osoittavat, ettei 15 kåytetty merkkausmenetelmå huononna kovakromipinnan pin-nankarheutta. Pinnankarheus on samaa luokkaa mitattuna ennen merkkausta ja merkkauksen jålkeen tummasta viivasta mitattuna.

Esimerkki 2 20 Kokeessa selvitettiin eri atmosfåårien vaikutusta merkkauksessa saatavan viivan kontrastiin.

Metallipintana oli hiottu kovakromi, jonka pinta pyyhittiin puhtaaksi ennen merkkausta spriihin kastetulla kangastupolla.

25 Kåytetyn lasersåteen aallonpituus oli 248 nm ja pulssien toistotaajuus 50 Hz. Metallipintaa liikutettiin såteeseen nåhden siten, ettå etenemåksi tuli 0,01 mm pulssia kohden. Såteen koko kovakromin pinnalla oli 0,45 x 1,35 mm ja energiatiheys 3,1 J/cm2.

30 Yllå olevilla merkkausparametreilla saatiin taulu- « « .· kon II mukaiset kontrastit syntyneille tummille viivoille.

Kaasun paine oli kokeen aikana 1 bar.

921 i 2 9

Taulukko I. Viivan kontrasti eri atmosfaareissa.

Atmosfåari Kontrasti ilma 0,8 5 C02 0,8 N2 0,8 02 0,8 10 Taulukon II tuloksista nåhdåån, ettå atmosfåårillå ei ole sanottavaa vaikutusta syntyvån viivan kontrastiin. Muissa tehdyisså kokeissa havaittiin, ettå tangon pinnalla sai olla ohut likakerros (nokea, oljyå, vettå, vahaa) il-man, ettå se haittasi merkkaustapahtumaa ja vaikutti syn-15 tyvån tummemman alueen kontrastiin tai pinnanlaatuun.

Yllå keksinnon mukaista menetelmåå on havainnollis-tettu vain yhden esimerkinomaisen suoritusmuodon ja joi-denkin esimerkkien avulla ja on ymmårrettåvåå, ettå keksinnon mukaisella menetelmållå aikaansaatua vårjåtyillå 20 alueilla varustettua metallipintaa voidaan kåyttåå hyvin-kin monenlaisiin kåyttotarkoituksiin samoinkuin haluttu vårjåysvaikutus aikaansaada muillakin kuin esimerkeissså mainituilla arvoilla poikkeamatta kuitenkaan oheisten pa-.. tenttivaatimusten måårittelemåstå suojapiiristå.

Claims (3)

10 92112

1. Menetelmå taustastaan tummempina erottuvien aluiden muodostamiseksi kirkkaaseen metallipintaan (1) 5 lasersåteen avulla esimerkiksi optisesti luettavien merk-kien (5) aikaansaamiseksi, tunnettu siitå, ettå metallipintaan (1) kohdistetaan lasersådepulssi, jonka energia on 1...10 J/cm2, edullisesti 3...5 J/cm2, ja kesto 5ns...1μ3, edullisesti 15...30 ns; 10 lasersadepulssin osumakohtaa (7) metallipinnalla (1) muutetaan siten, ettå uusi osumakohta (8) limittyy aikaisemman osumakohdan (7) kanssa ja metallipintaan (1) kohdistetaan uusi lasersådepulssi, jolloin metallipinnan alue (7a), jolla pulssit eivåt 15 limity keskenåån ja joka rajoittuu uuden pulssin osumakoh-taan, saa vårin, joka muodostaa kontrastin alkuperåisen metallipinnan (1) kanssa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelma, tunnettu siitå, ettå yhtenåisen vårjåtyn alueen 20 synnyttåmiseksi peråkkåisten pulssien reunan etenemå on 0,1 mm tai våhemmån.

3. Vårjåttyjå alueita kåsittåvå metallipinta (1), joka vårjåtyltå alueelta (5) on oleellisesti sileå ja oleellisesti samalla tasolla tåtå aluetta ympåroivån me- 25 tallipinnan kanssa, tunnettu siitå, ettå vårjåtyt alueet muodostuvat metallipintaan kohdistettujen laserså-depulssien keskenåån limittyneiden osumakohtien (7, 8, 9, 10, 11) keskenåån limittymåttomistå osista (7a, 8a, 9a, 10a). « ·< • V i 11 92112