FR2666759A1 - Device for ablating, through the transparency of a plastic film, using a laser, and applications to spraying and to marking - Google Patents

Device for ablating, through the transparency of a plastic film, using a laser, and applications to spraying and to marking Download PDF

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Abstract

The invention relates to the methods making it possible to ablate, according to a pattern, through a plastic film, a layer, for example a metal layer, using a laser and, moreover, to exploit the consequent spraying of material for printing, displaying or gilding. The face (2) made of plastic is illuminated by a laser (1) pulse of very short duration and conveying sufficient energy density to cause heat-up of the layer at constant volume, which gives rise to a very intense shock-wave causing, upon reflection off the layer (3) to be ablated, the descaling and ejection of the latter, the support layer (2) remaining intact. The invention can be used both for demetallising flexible or rigid supports so as to produce capacitors, printed circuits or optical masks, and for spraying material so as to carry out printing or gilding or to produce large-area remotely-chargeable erasable display devices.

Description

- DESCRIPTION TECHNIOUE
La présente invention concerne les procédés permettant de décaper localement un film de plastique d'une pellicule de nature différente le revêtant, et les procédés de marquage en général.
- TECHNICAL DESCRIPTION
The present invention relates to methods for locally stripping a plastic film from a film of different nature coating it, and to marking methods in general.

D'une façon plus précise, l'invention permet de décaper suivant un motif un film de plastique d'une couche par exemple métallique à l'aide d'un laser, et par ailleurs d'exploiter la projection de - matière consécutive pour faire de l'impression, de l'affichage ou de la dorure.More specifically, the invention makes it possible to strip a plastic film of a layer, for example a metallic layer, using a pattern, using a laser, and moreover to exploit the projection of - consecutive material to make printing, display or gilding.

Parmi les nombreux procédés connus de décapage d'une surface d'une couche de nature différente la revêtant, on distingue ceux qui ne permettent que de décaper de grandes surfaces à l'exclusion de tout motif (excepté si l'on recours à un masque), et ceux qui permettent de réaliser un véritable motif de décapage localisé et répétable sans nécessiter de masquage, procédés auxquels l'invention s'apparente.Among the many known methods of stripping a surface of a layer of different nature coating it, there are those which only allow to strip large surfaces to the exclusion of any pattern (except if using a mask ), and those which make it possible to produce a real localized and repeatable pickling pattern without requiring masking, processes to which the invention is related.

Les premiers procédés peuvent faire appel à une simple action mécanique consistant à cisailler la couche à éliminer à l'aide d'un outil coupant. On peut avantageusement l'accompagner d'une attaque chimique préalable qui aura notamment pour effet de décoller la couche à éliminer de son support afin d'en faciliter l'évacuation. Le recours à l'attaque chimique se retrouve dans les procédés de gravure dits photochimiques, qui permettent de réaliser des motifs de décapage quand ils sont utilisés conjointement à des masques, ce sont les procédés biens connus de sérigraphie et de microlithographie: on protège les parties ne devant pas être décapées par une résine, avant de réaliser le traitement chimique.The first processes can call upon a simple mechanical action consisting in shearing the layer to be eliminated using a cutting tool. It can advantageously be accompanied by a prior chemical attack which will in particular have the effect of detaching the layer to be eliminated from its support in order to facilitate its evacuation. The use of chemical attack is found in the so-called photochemical etching processes, which make it possible to produce pickling patterns when they are used in conjunction with masks, these are the well-known processes of screen printing and microlithography: the parts are protected not to be stripped by a resin, before carrying out the chemical treatment.

On termine en éliminant la résine, sous laquelle se trouve alors la couche de matière intègre. Ce procédé est qualifié de photochimique pour son principe de protection de la couche: on dépose sur l'intégralité de la surface de cette couche une résine photosensible qui se polymérisera sous l'action d'un rayonnement ionisant (lumière visible, UV, X-mous, faisceau d'électrons). On intercale généralement un masque permettant de réaliser un éclairement sélectif de la résine afin d'obtenir un motif. Une fois l'exposition réalisée, on élimine la résine non polymérisée par dissolution.We finish by eliminating the resin, under which is then the layer of integral material. This process is qualified as photochemical for its principle of layer protection: a photosensitive resin is deposited over the entire surface of this layer which will polymerize under the action of ionizing radiation (visible light, UV, X- soft, electron beam). A mask is generally inserted in order to achieve selective illumination of the resin in order to obtain a pattern. Once the exposure has been carried out, the uncured resin is removed by dissolution.

D'autres procédés existent, comme ceux qui font appel à une action purement mécanique, au nombre desquels nous trouvons le décapage par ultra-sons et celui plus récent du décapage par laser. Le décapage par ultra-sons est notamment utilisé dans certaines machines de nettoyage industrielles et consiste à exposer la couche à décaper aux ondes de compression générées par un transducteur, en l'immergeant dans un milieu de couplage liquide. Le décapage par laser consiste, lui, à évacuer localement une couche de matière en envoyant une impulsion de forte énergie surfacique durant un temps très bref, de façon à provoquer sur la surface de la couche à décaper un échauffement extrêmement rapide à volume quasi-constant. Ce dernier donne naissance à une onde de choc qui se propagera dans la couche, jusqu'à rencontrer la surface du support, dotée d'une impédance très différente.La réflexion de cette onde sur la surface du support provoque un onde en retour qui aura pour effet de faire éclater la couche superficielle et donc de provoquer son ablation. Le décapage proprement dit est donc bien là un phénomène purement mécanique et non thermique ou chimique.Other processes exist, such as those which use a purely mechanical action, among which we find pickling by ultrasound and the more recent pickling by laser. Pickling by ultrasound is used in particular in certain industrial cleaning machines and consists in exposing the layer to be stripped to the compression waves generated by a transducer, by immersing it in a liquid coupling medium. The pickling by laser consists, for its part, in locally evacuating a layer of material by sending a pulse of high surface energy for a very short time, so as to cause on the surface of the layer to be scoured an extremely rapid heating at almost constant volume . The latter gives rise to a shock wave which will propagate in the layer, until it meets the surface of the support, endowed with a very different impedance. The reflection of this wave on the surface of the support causes a return wave which will have the effect of bursting the surface layer and therefore causing its ablation. The actual stripping is therefore a purely mechanical phenomenon and not thermal or chemical.

Contrairement au procédé par ultra-sons, il permet de réaliser des motifs de décapage. Le procédé qui fait l'objet de la présente invention se rapproche de ce dernier à maints égards (recours au laser dans des conditions d'émission voisines sans être identiques, principe d'ablation mécanique), il s'en éloigne cependant sur l'essentiel et constitue en fait un procédé radicalement différent, comme nous le verrons plus loin.Unlike the ultrasonic process, it allows for pickling patterns. The process which is the subject of the present invention is similar to the latter in many respects (use of the laser under similar emission conditions without being identical, principle of mechanical ablation), it however differs therefrom. essential and in fact constitutes a radically different process, as we will see below.

Tous ces procédés présentent un certain nombre d'inconvénients et d'impossibilités.All these methods have a certain number of drawbacks and impossibilities.

Parmi les inconvénients, citons le nécessaire recours au masquage pour certains d'entre eux (sérigraphie, microlithographie), ce qui induit de nombreuses difficultés, la lourdeur de ces mêmes procédés (nombreuses manipulations successives, importance de l'équipement, durée du process), et le caractère peu écologique des produits rejetés. Le décapage par laser souffre lui aussi d'inconvénients graves aux nombre desquels citons l'encrassement de l'optique de focalisation ou de renvoi du faisceau par les projections des produits de décapage, ce qui peut poser des problèmes dans certaines applications où l'on ne dispose que de peu d'espace au droit de la couche à décaper.Au chapitre des impossibilités, citons pour la sérigraphie l'incompatibilité de certains supports (films plastiques) avec les produits chimiques de décapage et le fait que l'on doive se limiter à des formes de pièce simples (planes, cylindriques,...). Le décapage par ultra-sons nécessite impérativement un milieu de couplage liquide, ce qui dans le meilleur des cas astreint à mettre en oeuvre un appareillage complexe, et qui le plus souvent rend le procédé inadéquat dès lors que l'objet à décaper ne supporte pas l'eau (ou tout autre liquide) ou que le process dans lequel s'insère le décapage ne permet pas la mise en contact de l'objet avec ce liquide. Enfin, tous ces procédés supposent un accès physique par la face de la pellicule à décaper, ce qui en proscrit l'usage dans les cas où cet accès est impossible.Among the disadvantages, let us quote the necessary recourse to masking for some of them (serigraphy, microlithography), which induces many difficulties, the heaviness of these same processes (numerous successive manipulations, importance of the equipment, duration of the process) , and the not very ecological character of the rejected products. Laser stripping also suffers from serious drawbacks, among which are the fouling of the focusing or beam deflection optics by projections of stripping products, which can cause problems in certain applications where there is only a little space at the right of the layer to be stripped. In the chapter of impossibilities, let us quote for the screen printing the incompatibility of certain supports (plastic films) with the chemicals of stripping and the fact that we must limit to simple part shapes (flat, cylindrical, ...). Pickling by ultrasound imperatively requires a liquid coupling medium, which in the best of cases requires the use of complex equipment, and which most often makes the process inadequate when the object to be stripped does not support water (or any other liquid) or that the process in which pickling takes place does not allow the object to come into contact with this liquid. Finally, all of these processes assume physical access from the face of the film to be stripped, which prohibits its use in cases where this access is impossible.

Le dispositif suivant l'invention permet d'éviter ces inconvénients et impossibilités car il ne nécessite ni masque, ni appareillage lourd ou manipulations complexes. Il ne rejette pas non plus de produits toxiques et ne nécessite pas de milieu de couplage. Enfin, il permet une intervention à travers la couche qui supporte la pellicule à décaper, donc par transparence. Cette particularité résout de fait le problème de l'interaction des projections de matière de la couche décapée avec le source d'énergie. Le dispositif suivant l'invention permet en outre de faire de la projection de matière à des fins de marquage.The device according to the invention makes it possible to avoid these drawbacks and impossibilities since it does not require a mask, heavy equipment or complex manipulations. It also does not reject toxic products and does not require a coupling medium. Finally, it allows intervention through the layer which supports the film to be stripped, therefore by transparency. This feature in fact solves the problem of the interaction of material projections from the pickled layer with the energy source. The device according to the invention also makes it possible to project material for marking purposes.

L'invention concerne un dispositif de décapage et de projection de matière caractérisé en ce qu'il comporte:
.un laser (1) convenable pour envoyer périodiquement une impulsion de paramètres géométriques, énergétiques et temporels donnés,
.un matériau (2) semi-absorbant pour la longueur d'onde du laser (1) recevant l'impulsion et dans lequel prendra naissance une onde de choc, sans que ce matériau en soit affecté,
.un matériau (3) intimement lié au matériau (2), et subissant les effets de l'onde de choc sous forme d'écaillage et d'éjection de matière.
The invention relates to a pickling and material spraying device characterized in that it comprises:
.a laser (1) suitable for periodically sending a pulse of given geometrical, energy and time parameters,
.a semi-absorbent material (2) for the wavelength of the laser (1) receiving the pulse and in which a shock wave will arise, without this material being affected,
.a material (3) intimately linked to the material (2), and undergoing the effects of the shock wave in the form of flaking and ejection of material.

Suivant une autre caractéristique, les matériaux (2) et (3) se présentent sous forme de feuilles ou de couches.According to another characteristic, the materials (2) and (3) are in the form of sheets or layers.

Suivant une autre caractéristique, le laser (1) ou le rayon issu du laser (1) peut être contrôlé en position par un moyen quelconque (4) tel que par exemple des miroirs galvanométriques pilotés par ordinateur, afin que le faisceau vienne frapper le matériau (2) en des endroits particuliers.According to another characteristic, the laser (1) or the ray coming from the laser (1) can be controlled in position by any means (4) such as for example galvanometric mirrors controlled by computer, so that the beam strikes the material (2) in particular places.

Suivant une autre caractéristique, le matériau (3) est une couche métallique déposée par une voie quelconque telle que par exemple l'évaporation sous vide, sur la couche (2), elle-même en matériau plastique peu ductile, permettant d'utiliser le dispositif pour obtenir une surface de matériau (2) décapée par endroit.According to another characteristic, the material (3) is a metal layer deposited by any means such as for example vacuum evaporation, on the layer (2), itself made of low-ductile plastic material, making it possible to use the device for obtaining a surface of material (2) pickled in places.

Suivant une autre caractéristique, la couche de matériau (2) est en polyester et la couche de matériau (3) en aluminium, de façon à obtenir après passage du faisceau laser un ruban de polyester-aluminium désaluminisé par endroit pouvant être utilisé dans les condensateurs.According to another characteristic, the layer of material (2) is made of polyester and the layer of material (3) is of aluminum, so as to obtain, after passage of the laser beam, a polyester-aluminum strip desaluminized in places which can be used in the capacitors .

Suivant une autre caractéristique, la couche de matériau (2) est en résine telle qu'avantageusement l'époxy, et la couche de matériau (3) en métal bon conducteur électrique tel qu'avantageusement le cuivre, de façon à obtenir après passage du laser une plaque de résine supportant des pistes métalliques constituant un circuit imprimé.According to another characteristic, the layer of material (2) is made of resin such as advantageously epoxy, and the layer of material (3) is made of a metal that is a good electrical conductor such as advantageously copper, so as to obtain, after passage of the laser a resin plate supporting metal tracks constituting a printed circuit.

Suivant une autre caractéristique, l'épaisseur de la couche de matériau (2) est de l'ordre du micron, et en ce que le laser utilisé émet un rayonnement de courte longueur d'onde, tel qu'avantageusement un laser excimère, de façon à obtenir, après application des impulsions laser, un masque très précis pouvant être utilisé dans l'industrie des circuits intégrés.According to another characteristic, the thickness of the material layer (2) is of the order of a micron, and in that the laser used emits radiation of short wavelength, such as advantageously an excimer laser, of so as to obtain, after application of the laser pulses, a very precise mask which can be used in the integrated circuit industry.

Suivant une autre caractéristique, le matériau (3) est une couche de matériau quelconque suffisamment adhérent à la couche (2), elle-même en matériau plastique peu ductile, et en ce qu'il comporte en outre éventuellement un dispositif d'entrainement de cet ensemble bi-couches devant le laser (6), permettant d'utiliser le dispositif pour projeter de la matière (3), afin de faire du revêtement ou du marquage. According to another characteristic, the material (3) is a layer of any material which is sufficiently adherent to the layer (2), itself made of plastic material which is not very ductile, and in that it also optionally comprises a device for driving this two-layer assembly in front of the laser (6), making it possible to use the device for projecting material (3), in order to make the coating or the marking.

Suivant une autre caractéristique, le matériau (3) est une substance colorée déposée par une voie quelconque sur la couche (2), et en ce qu'il comporte en outre:
.un support quelconque (5), tel qu'avantageusement une feuille de papier ou un film de plastique, disposé au droit de la couche (3) de manière à recevoir les projections de substance colorée,
.des moyens convenables (7) tels que des rouleaux pour entamer le support (5) en défilement devant l'ensemble bi-couches (2 & 3),
.éventuellement des moyens de chauffage (6) tels qu'avantageusement des lampes infra-rouges ou des résistances chauffantes, permettant de fixer la substance colorée sur son nouveau substrat, par exemple par fusion, le tout constituant une imprimante.
According to another characteristic, the material (3) is a colored substance deposited by any route on the layer (2), and in that it also comprises:
any support (5), such as advantageously a sheet of paper or a plastic film, placed in line with the layer (3) so as to receive the splashes of colored substance,
.suitable means (7) such as rollers for starting the support (5) while scrolling in front of the two-layer assembly (2 & 3),
. possibly heating means (6) such as advantageously infrared lamps or heating resistors, making it possible to fix the colored substance on its new substrate, for example by fusion, the whole constituting a printer.

Suivant une autre caractéristique, la couche de matériau (3) est en or, permettant d'utiliser le dispositif pour faire de la dorure précise, localisée, d'épaisseur réglable, sur des objets quelconques même non-métalliques. According to another characteristic, the layer of material (3) is made of gold, making it possible to use the device to make precise, localized gilding, of adjustable thickness, on any objects, even non-metallic.

Suivant une autre caractéristique, la couche de matériau (3) est constituée de pigments, tels que par exemple des oxydes colorés, et en ce qu'il comporte en outre un moyen de chauffage tel que par exemple un four ou une étuve, permettant de fondre ces substances colorantes après application et de les faire adhérer au support sur lequel elles ont été déposées, le tout constituant un moyen de décorer de manière précise des objets quelconques.According to another characteristic, the layer of material (3) consists of pigments, such as for example colored oxides, and in that it also comprises a heating means such as for example an oven or an oven, making it possible to melt these coloring substances after application and make them adhere to the support on which they have been deposited, the whole constituting a means of precisely decorating any objects.

Suivant une autre caractéristique, la couche de matériau (3) est métallique, et en ce qu'il comporte en outre des moyens (8), tel que par exemple un arc entretenu entre deux électrodes, permettant de porter les particules projetées de matériau (3) à leur point de fusion dans l'intervalle séparant la couche (3) de l'objet (9) sur lequel ces particules seront déposées, afin de métalliser la surface de l'objet.According to another characteristic, the layer of material (3) is metallic, and in that it further comprises means (8), such as for example an arc maintained between two electrodes, making it possible to carry the projected particles of material ( 3) at their melting point in the interval separating the layer (3) from the object (9) on which these particles will be deposited, in order to metallize the surface of the object.

Suivant une autre caractéristique, la couche (3) est en matière magnétique (par exemple à base d'oxyde de chrome Cr203), et en ce qu'il comporte en outre:
.un support quelconque (10) de couleur claire réfléchissant bien la lumière, par exemple blanche, tel qu'avantageusement un film métallisé peint - on choisi un métal sensible au champ magnétique - sur lequel viendront se fixer les particules magnétiques,
.éventuellement des moyens (11) permettant de faire circuler le support (10) devant l'ensemble bi-couches (2 & 3), tels que par exemple des rouleaux,
.des moyens (12) permettant de nettoyer le support (10), tels qu'avantageusement des électro-aimants, le tout constituant un moyen d'affichage urbain permettant de dessiner en temps réel des images ou des textes, par exemple publicitaires ou d'informations municipales, de grande dimension, et de les effacer avant d'afficher l'image suivant.
According to another characteristic, the layer (3) is made of magnetic material (for example based on chromium oxide Cr203), and in that it also comprises:
any light-colored support (10) reflecting light well, for example white, such as advantageously a painted metallic film - a metal sensitive to the magnetic field is chosen - on which the magnetic particles will be fixed,
possibly means (11) allowing the support (10) to circulate in front of the bi-layer assembly (2 & 3), such as for example rollers,
.means (12) for cleaning the support (10), such as advantageously electromagnets, all constituting an urban display means for drawing in real time images or texts, for example advertising or advertising municipal information, of large dimension, and to erase them before posting the following image.

Suivant une autre caractéristique, le dispositif comporte en outre des moyens tels que par exemple une pompe à vide et une enceinte étanche afin de réaliser un vide relatif dans l'espace séparant la couche (3) du support (5, 8, 9 ou 10).According to another characteristic, the device further comprises means such as for example a vacuum pump and a sealed enclosure in order to achieve a relative vacuum in the space separating the layer (3) from the support (5, 8, 9 or 10 ).

Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, référencée aux dessins annexés, dans lesquels:
.la figure 1 représente le profil d'absorption de l'énergie incidente dans les matériaux (2) et (3) dans le cas où ce dernier est réfléchissant,
.la figure 2 représente le profil d'absorption de l'énergie incidente dans les matériaux (2) et (3) dans le cas où ce dernier est non-réfléchissant et pour un matériau (2) peu absorbant.
The characteristics and advantages of the invention will emerge more clearly from the description which follows, referenced in the appended drawings, in which:
FIG. 1 represents the absorption profile of the incident energy in the materials (2) and (3) in the case where the latter is reflective,
FIG. 2 represents the absorption profile of the incident energy in the materials (2) and (3) in the case where the latter is non-reflective and for a material (2) which is not very absorbent.

.la figure 3 représente le profil d'absorption de l'énergie incidente dans les matériaux (2) et (3) dans le cas où ce dernier est non-réfléchissant mais où le matériau (2) est très absorbant,
.la figure 4 représente le profil d'absorption de l'énergie incidente dans les matériaux (2) et (3) dans le cas où ce dernier est non-réfléchissant mais où la puissance incidente est réduite.
FIG. 3 represents the absorption profile of the incident energy in the materials (2) and (3) in the case where the latter is non-reflective but where the material (2) is very absorbent,
FIG. 4 represents the absorption profile of the incident energy in the materials (2) and (3) in the case where the latter is non-reflective but where the incident power is reduced.

.la figure 5 représente le dispositif de base utilisé en décapage dans lequel on n'a pas détaillé le dispositif de déflexion du faisceau pour la clarté du dessin,
la figure 6 représente le dispositif de base utilisé en projection de matière à des fins d'impression,
.la figure 7 représente une coupe du dispositif de projection de matière, couplé à des moyens de chauffage en cours de vol de la matière projetée,
.la figure 8 représente un dispositif d'affichage par projection de particules magnétiques, et le principe de l'effacement.
FIG. 5 represents the basic device used in pickling in which the beam deflection device has not been detailed for the clarity of the drawing,
FIG. 6 represents the basic device used in projecting material for printing purposes,
FIG. 7 represents a section of the material projection device, coupled to heating means during flight of the projected material,
FIG. 8 represents a display device by projection of magnetic particles, and the principle of erasure.

Ces figures sont données à titre purement indicatif, afin de mieux comprendre le principe du dispositif, elles ne sont en fait nullement limitatives et n'enlèvent donc rien à la généralité de l'invention. On n'y a par ailleurs pas toujours représenté les différents éléments suivant leurs proportions réelles quand cela ne nuisait pas à la compréhension des figures.These figures are given for information only, in order to better understand the principle of the device, they are in fact in no way limiting and therefore do not detract from the generality of the invention. In addition, the various elements have not always been represented according to their actual proportions when this does not interfere with the understanding of the figures.

Nous utiliserons une des applications du dispositif pour décrire ses principes physiques sousjacents, ce qui n'enlève là encore rien à la généralité de l'invention. We will use one of the applications of the device to describe its underlying physical principles, which again does not detract from the generality of the invention.

Considérons donc un ensemble bi-couches formé, pour fixer les idées, d'un film de polyester sur lequel on est venu déposer par évaporation sous vide une fine pellicule d'un métal quelconque qui peut être par exemple de l'aluminium. Cet ensemble est illuminé du côté de la couche de polyester par un faisceau laser - par exemple un laser solide YAG, ou, mieux, un laser CO2 - générant des impulsions très courtes (quelques nanosecondes). Le choix du laser est guidé par le fait que la couche (2) - le polyester en l'occurence - doit être semi-absorbante pour la longueur d'onde considérée.Si le dépôt d'énergie spécifique E consécutif à l'absorption partielle du faisceau par la couche (2) est réalisé durant un temps T suffisamment bref, cette couche n'a pas le temps de se dilater (à l'échelle des durées considérées) et le matériau (2) se trouve quasiment dans des conditions de chauffage à volume constant. Pour cela, la durée de l'impulsion doit être très inférieure - par exemple dix fois inférieure - au temps que met l'onde de dilatation pour aller de la surface de la couche (2) jusqu'à l'interface séparant les deux couches:
e
c e étant l'épaisseur de la couche (2) et c la vitesse du son dans cette même couche. Si par exemple l'épaisseur du film est de 10 ym, et la vitesse du son de 1000 m/s, on doit avoir 2 10 ns. Prenons par exemple T = 2 ns. Dans ces conditions, la couche (2) est chauffée à volume quasi constant et se trouve comprimée à très haute pression. La valeur de la pression obtenue sur l'interface est donnée par l'expression:
P = p.y.E où p est la densité de la couche (2), y le coefficient de Gruneisen (environ 2 en unités MKS) et E l'énergie spécifique absorbée par la couche. Considérons par exemple que cette dernière n'absorbe que 10% d'une impulsion transportant 0,1 mJ, et que cette intéraction a lieu sur une surface de 0,1x0,1 mm2 et sur toute la profondeur de la couche (2), soit 10 clam, c'est-à-dire dans une masse de matériau de 10-10 kg, la pression sera alors de 2.108 Pa, soit 2.000 bars.C'est largement plus qu'il n'en faut pour décoller la couche d'aluminium de la couche de polyester et pour l'en arracher.
Let us therefore consider a two-layer assembly formed, to fix ideas, of a polyester film on which we have come to deposit by evaporation under vacuum a thin film of any metal which can be for example aluminum. This assembly is illuminated on the polyester layer side by a laser beam - for example a solid YAG laser, or, better, a CO2 laser - generating very short pulses (a few nanoseconds). The choice of laser is guided by the fact that the layer (2) - polyester in this case - must be semi-absorbent for the wavelength considered. If the specific energy deposit E following partial absorption of the beam by the layer (2) is produced for a sufficiently short time T, this layer does not have time to expand (on the scale of the durations considered) and the material (2) is almost in conditions of constant volume heating. For this, the duration of the pulse must be much less - for example ten times less - than the time it takes for the expansion wave to go from the surface of the layer (2) to the interface separating the two layers. :
e
this being the thickness of the layer (2) and c the speed of sound in this same layer. If for example the thickness of the film is 10 ym, and the speed of sound of 1000 m / s, we must have 2 10 ns. Take for example T = 2 ns. Under these conditions, the layer (2) is heated to an almost constant volume and is compressed at very high pressure. The value of the pressure obtained on the interface is given by the expression:
P = pyE where p is the density of the layer (2), y the Gruneisen coefficient (approximately 2 in MKS units) and E the specific energy absorbed by the layer. Consider for example that the latter absorbs only 10% of a pulse transporting 0.1 mJ, and that this interaction takes place on a surface of 0.1 × 0.1 mm2 and over the entire depth of the layer (2), or 10 clam, that is to say in a mass of material of 10-10 kg, the pressure will then be 2.108 Pa, or 2.000 bars. This is more than enough to take off the layer of the polyester layer and to tear it off.

L'échauffement de la couche de polyester doit être réduite afin d'éviter sa destruction (la température de transition vitreuse ne doit notamment pas être franchie). Cet échauffement vaut:

Figure img00080001

soit 25e dans l'hypothèse (pessimiste) où la totalité de l'énergie est convertie en énergie mécanique, ce qui est tout à fait tolérable.The heating of the polyester layer must be reduced in order to avoid its destruction (in particular the glass transition temperature must not be exceeded). This heating is worth:
Figure img00080001

ie 25th in the (pessimistic) hypothesis where all of the energy is converted into mechanical energy, which is completely tolerable.

Les quatre figures de la planche 1 permettent de comprendre le mécanisme de dépôt d'énergie. Dans le cas où la couche (3) est métallique, on augmente l'absorption totale par réflexion de l'onde sur l'interface, ce qui revient à doubler le dépôt d'énergie dans la couche (2). On peut donc s'accomoder d'un matériau (2) assez peu absorbant, ou d'un faisceau de plus faible puissance. Cette situation est décrite par la figure 1. L'énergie minimale E requise dans le faisceau vaut:

Figure img00080002
The four figures in Plate 1 make it possible to understand the mechanism of energy deposition. In the case where the layer (3) is metallic, the total absorption by reflection of the wave on the interface is increased, which amounts to doubling the energy deposit in the layer (2). It is therefore possible to accommodate a material (2) which is not very absorbent, or a beam of lower power. This situation is described in Figure 1. The minimum energy E required in the beam is:
Figure img00080002

Pmin étant la pression à partir de laquelle la couche (3) s'écaille, a le coefficient d'absorption de la couche (2), S la surface d'interaction et e l'épaisseur de la couche (2), le tout exprimé en unités MKS.L'énergie maximale admissible est obtenue quand la pression dans la couche (2) est suffisamment importante pour provoquer la destruction de cette même couche par un procédé analogue à celui, classique, du décapage direct par laser. Cette pression est généralement supérieure à Pmin, mais elle est quand même d'autant plus vite atteinte que le film support (2) est moins ductile et donc que l'énergie spécifique est moins dissipée par des mécanismes de déformation plastique.Pmin being the pressure from which the layer (3) flakes, has the absorption coefficient of the layer (2), S the interaction surface and e the thickness of the layer (2), the whole expressed in MKS units. The maximum admissible energy is obtained when the pressure in the layer (2) is high enough to cause the destruction of this same layer by a process analogous to that, classic, of direct pickling by laser. This pressure is generally greater than Pmin, but it is still all the more quickly reached when the support film (2) is less ductile and therefore the specific energy is less dissipated by plastic deformation mechanisms.

Dans le cas où la couche (3) est absorbante, par exemple non-métallique, elle risque de se détruire avant que l'onde de choc ne la frappe, ce qui peut avoir comme conséquence d'une part de provoquer l'échauffement de la couche (2) par contact, donc de détruire le support, et d'autre part de volatiliser le matériau (3), le rendant inutilisable pour faire de la projection de matière comme notre dispositif le prévoit. Cette situation est décrite sur la figure 2, dans laquelle les paramètres d'illumination sont les mêmes que ceux de la figure 1. On constate que le dépôt d'énergie dans la couche (3) est supérieur à celui qu'elle peut admettre sans se vaporiser (zône hachurée).Cette application requiert donc que très peu d'énergie ne parvienne à la couche (3) absorbante, donc que le matériau (2) soit très absorbant (figure 3), ou bien que l'impulsion laser transporte une faible quantité d'énergie (figure 4), sachant que l'énergie minimale nécessaire vaut:

Figure img00090001
In the case where the layer (3) is absorbent, for example non-metallic, it risks destroying itself before the shock wave strikes it, which can have the consequence on the one hand of causing the heating of the layer (2) by contact, therefore destroying the support, and on the other hand volatilizing the material (3), making it unusable for making projection of material as our device provides. This situation is described in FIG. 2, in which the illumination parameters are the same as those in FIG. 1. It can be seen that the energy deposition in the layer (3) is greater than that which it can accept without vaporize (hatched area) .This application therefore requires that very little energy reaches the absorbent layer (3), therefore that the material (2) is very absorbent (Figure 3), or that the laser pulse transports a small amount of energy (Figure 4), knowing that the minimum energy required is worth:
Figure img00090001

Quant à l'énergie maximale admissible, elle est la même que pour un matériau (3) métallique, avec en plus la contrainte que cette couche ne se sublime pas par absorption de l'énergie résiduelle.As for the maximum admissible energy, it is the same as for a metallic material (3), with the additional constraint that this layer does not sublime by absorption of the residual energy.

Une caractéristique intéressante de ce procédé de décapage est qu'il ne détruit pas la structure chimique de la couche (3): la couche est transformée en particules propulsées à grande vitesse, mais ces particules ont même structure que la couche elle-même, elle ne sont ni fondues ni dissociées. On notera que le procédé classique de décapage par laser ne présente pas cette particularité et que les projections de matière ont subi une transformation. L'intérêt est que l'on peut utiliser ce procédé pour réaliser une impression en enduisant un support (2) d'une couche du matériau qui doit former l'impression, que l'on viendra décaper à l'aide d'un laser.An interesting feature of this pickling process is that it does not destroy the chemical structure of the layer (3): the layer is transformed into particles propelled at high speed, but these particles have the same structure as the layer itself, it are neither fused nor dissociated. It will be noted that the conventional laser etching process does not have this feature and that the material projections have undergone a transformation. The advantage is that one can use this process to carry out an impression by coating a support (2) with a layer of the material which must form the impression, which one will come to strip with the help of a laser .

L'expérience montre que les matières sont projetées suivant un cône très étroit, de divergence faible, ce qui permet de projeter de la matière à des fins de marquage, d'impression, de revêtement, de façon très précise. On notera de nouveau que le procédé connu de décapage par laser dans lequel la couche à détruire est directement attaquée par sa face libre ne permet pas de faire du revêtement, puisque la matière est projetée en direction de l'optique, ce qui a pour conséquence de nécessiter l'illumination de la couche (2) sous incidence oblique, afin de ne pas encrasser l'optique, diminuant de ce fait le couplage et induisant de grandes difficultés de conception.Experience shows that the materials are projected in a very narrow cone, of slight divergence, which makes it possible to project the material for marking, printing and coating purposes, very precisely. It will again be noted that the known method of laser pickling in which the layer to be destroyed is directly attacked by its free face does not make it possible to make a coating, since the material is projected towards the optics, which has the consequence to require the illumination of the layer (2) under oblique incidence, so as not to foul the optics, thereby reducing the coupling and inducing great design difficulties.

Les applications du dispositif suivant l'invention sont nombreuses, on les rencontre dans le domaine du décapage ou de la gravure comme dans celui de la projection de matière et de l'impression. La liste suivante donne un simples aperçu des potentialités de l'invention, elle n'est donc en aucun cas limitative:
décapage et gravure:
C'est l'industrie électronique qui la première peut tirer parti de ce procédé. Citons par exemple la démétallisation locale de films de polyester revêtus d'aluminium, afin de réaliser des condensateurs, ou la démétallisation d'une plaque de résine (par exemple époxy) revêtue de cuivre, afin de réaliser des circuits imprimés. On peut par ailleurs exploiter ce principe pour fabriquer des masques optiques pour l'industrie de la lithographie et de la microlithographie.
The applications of the device according to the invention are numerous, they are encountered in the field of pickling or engraving as in that of projection of material and printing. The following list gives a simple overview of the potential of the invention, it is therefore in no way limiting:
pickling and etching:
The electronic industry is the first to benefit from this process. Let us cite for example the local demetallization of polyester films coated with aluminum, in order to produce capacitors, or the demetallization of a resin plate (for example epoxy) coated with copper, in order to produce printed circuits. This principle can also be used to manufacture optical masks for the lithography and microlithography industry.

.projection de matière et impression:
La figure 2 illustre ce que pourrait être schématiquement une imprimante de bureau utilisant ce principe. Un support (2) préalablement encré circule devant la tête d'impression constituée par le dispositif de balayage du laser. Ce dernier peut avantageusement être une diode laser. Une feuille de papier absorbant est entraînée devant cet ensemble et est impressionnée par les projections d'encre (puis éventuellement séchée à l'aide des moyens quelconques 7). Un microprocesseur gère la synchronisation du mécanisme (6) d'avance du support avec celui (4) de balayage du faisceau et avec l'avance de la feuille (5), afin d'optimiser la consommation d'encre du support (2).Le film support (2) peut être ou bien consommable, c'est-à-dire que le ruban est jeté après usage, ou bien recyclable, c'est-à-dire ré-encré dans la machine elle-même. La première solution parait être plus simple si ce n'est plus économique.
.projection of material and printing:
Figure 2 illustrates what a desktop printer using this principle could be schematically. A support (2) previously inked circulates in front of the print head formed by the laser scanning device. The latter can advantageously be a laser diode. A sheet of absorbent paper is entrained in front of this assembly and is impressed by the projections of ink (then optionally dried using any means 7). A microprocessor manages the synchronization of the mechanism (6) for advancing the support with that (4) for scanning the beam and with the advance of the sheet (5), in order to optimize the ink consumption of the support (2) The support film (2) can either be consumable, that is to say that the ribbon is discarded after use, or else recyclable, that is to say re-inked in the machine itself. The first solution seems to be simpler if not more economical.

On peut par ailleurs mettre à profit le principe de la projection de métal pour déposer de la dorure. Cet élément chimique se prête en effet mieux qu'un autre au revêtement métallique puisqu'il est très ductile et qu'il prendra la forme de l'objet à recouvrir. Deux dispositifs sont envisageables: le premier, qui met en oeuvre un balayage (4) et une avance du film (6), et l'autre qui se présenterait sous la forme d'un petit outillage à main, sans balayage, qui projetterait un jet de métal à la demande dans la direction voulue. Ce dernier dispositif permettrait de procéder à des retouches sur site. On peut à l'aide de ce principe déposer de la dorure sur des objets de toute sorte, aussi bien métalliques que non-métalliques. Ce procédé de projection n'est pas limité à l'or, il peut aussi être utiliser pour faire des revêtements d'étain, d'argent, de platine ou de cadmium.We can also take advantage of the principle of metal projection to deposit gilding. This chemical element lends itself better than another to the metallic coating since it is very ductile and will take the form of the object to be covered. Two devices are possible: the first, which implements a scanning (4) and a film advance (6), and the other which would appear in the form of a small hand tool, without scanning, which would project a metal spray on demand in the desired direction. This latter device would allow for touch-ups on site. With this principle, it is possible to deposit gilding on objects of all kinds, both metallic and non-metallic. This projection process is not limited to gold, it can also be used to make tin, silver, platinum or cadmium coatings.

Dans une autre application, on fait fondre "en cours de vol" les particules projetées à l'aide par exemple d'un arc électrique entretenu entre deux électrodes (8).In another application, the particles projected are melted “during flight” using for example an electric arc maintained between two electrodes (8).

L'intérêt de ce dispositif est de permettre de réaliser des dépôts de matériaux très divers, même très peu ductiles. The advantage of this device is that it allows deposits of very diverse materials, even very little ductile, to be produced.

Il est enfin possible de réaliser de l'affichage effaçable, utilisé dans les panneaux d'informations municipales que l'on trouve dans les grandes villes. Une des méthodes consiste à déposer sur un écran (10) de surface claire un matériau magnétique et opaque (3) suivant le motif désiré, ce matériau (oxydes de fer ou de chrome par exemple) revêtant préalablement la couche support (2), mue par les moyens (6) déjà rencontrés. Pour que l'écran retienne ces particules magnétiques, on peut par exemple le métalliser ou y noyer une bande métallique. Le nettoyage de l'écran est obtenu en balayant sa surface par un électro-aimant (12) qui recueillera les particules magnétiques. -L'écran (10), animé par les moyens (11), défile successivement devant le poste de transfert, la façade de visualisation et le poste d'effacement. Outre l'affichage de renseignements municipaux, ce dispositif peut être utilisé dans le domaine de l'affichage publicitaire de messages complets contenant des photographies, avec une résolution au moins égale à celle des procédés classiques de quadrichromie, et avec en plus une totale versatilité.It is finally possible to create erasable displays, used in municipal information panels found in major cities. One of the methods consists in depositing on a screen (10) of a clear surface a magnetic and opaque material (3) according to the desired pattern, this material (iron or chromium oxides for example) previously coating the support layer (2), molten by the means (6) already encountered. So that the screen retains these magnetic particles, it can for example be metallized or drown a metal strip therein. The cleaning of the screen is obtained by scanning its surface by an electromagnet (12) which will collect the magnetic particles. -The screen (10), animated by the means (11), scrolls successively in front of the transfer station, the display front and the erasing station. In addition to the display of municipal information, this device can be used in the field of advertising display of complete messages containing photographs, with a resolution at least equal to that of conventional four-color processes, and with the addition of total versatility.

Tous ces procédés utilisant la projection de matière nécessitent probablement une pompe à vide et une enceinte à vide autour du libre espace entre la couche (3) et l'objet à marquer afin d'augmenter la portée du jet et de diminuer sa divergence. All these methods using the projection of material probably require a vacuum pump and a vacuum enclosure around the free space between the layer (3) and the object to be marked in order to increase the range of the jet and to decrease its divergence.

Claims (14)

- REVENDICATIONS -- CLAIMS - 1. Dispositif de décapage et de projection de matière caractérisé en ce qu'il comporte:1. Pickling and material spraying device characterized in that it comprises: .un laser (1) convenable pour envoyer périodiquement une impulsion de paramètres géométriques, énergétiques et temporels donnés, .a laser (1) suitable for periodically sending a pulse of given geometrical, energy and time parameters, .un matériau (2) semi-absorbant pour la longueur d'onde du laser (1) recevant l'impulsion et dans lequel prendra naissance une onde de choc, sans que ce matériau en soit affecté, .a semi-absorbent material (2) for the wavelength of the laser (1) receiving the pulse and in which a shock wave will arise, without this material being affected, .un matériau (3) intimement lié au matériau (2), et subissant les effets de l'onde de choc sous forme d'écaillage et d'éjection de matière. .a material (3) intimately linked to the material (2), and undergoing the effects of the shock wave in the form of flaking and ejection of material. 2. Dispositif suivant la revendication I, caractérisé en ce que les matériaux (2) et (3) se présentent sous forme de feuilles ou de couches.2. Device according to claim I, characterized in that the materials (2) and (3) are in the form of sheets or layers. 3. Dispositif suivant les revendications I et 2, caractérisé en ce que le laser (1) ou le rayon issu du laser (1) peut être contrôlé en position par un moyen quelconque (4) tel que par exemple des miroirs galvanométriques pilotés par ordinateur, afin que le faisceau vienne frapper le matériau (2) en des endroits particuliers.3. Device according to claims I and 2, characterized in that the laser (1) or the ray coming from the laser (1) can be controlled in position by any means (4) such as for example galvanometric mirrors controlled by computer , so that the beam strikes the material (2) in particular places. 4. Dispositif suivant les revendications l, 2 et 3, caractérisé en ce que le matériau (3) est une couche métallique déposée par une voie quelconque telle que par exemple l'évaporation sous vide, sur la couche (2), elle-même en matériau plastique peu ductile, permettant d'utiliser le dispositif pour obtenir une surface de matériau (2) décapée par endroit.4. Device according to claims l, 2 and 3, characterized in that the material (3) is a metal layer deposited by any route such as for example vacuum evaporation, on the layer (2), itself made of slightly ductile plastic material, allowing the device to be used to obtain a surface of material (2) pickled in places. 5. Dispositif suivant les revendications 1,2,3 et 4, caractérisé en ce que la couche de matériau (2) est en polyester et la couche de matériau (3) en aluminium, de façon à obtenir après passage du faisceau laser un ruban de polyester-aluminium désaluminisé par endroit pouvant être utilisé dans les condensateurs. 5. Device according to claims 1,2,3 and 4, characterized in that the material layer (2) is polyester and the material layer (3) aluminum, so as to obtain after passage of the laser beam a ribbon location-de-aluminized polyester-aluminum that can be used in capacitors. 6. Dispositif suivant les revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que la couche de matériau (2) est en résine telle qu'avantageusement l'époxy, et la couche de matériau (3) en métal bon conducteur électrique tel qu'avantageusement le cuivre, de façon à obtenir après passage du laser une plaque de résine supportant des pistes métalliques constituant un circuit imprimé.6. Device according to claims 1, 2, 3 and 4, characterized in that the layer of material (2) is made of resin such as advantageously epoxy, and the layer of material (3) is made of metal which is a good electrical conductor such advantageously copper, so as to obtain after passage of the laser a resin plate supporting metal tracks constituting a printed circuit. 7. Dispositif suivant les revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de la couche de matériau (2) est de l'ordre du micron, et en ce que le laser utilisé émet un rayonnement de courte longueur d'onde, tel qu'avantageusement un laser excimère, de façon à obtenir, après application des impulsions laser, un masque très précis pouvant être utilisé dans l'industrie des circuits intégrés.7. Device according to claims 1, 2, 3 and 4, characterized in that the thickness of the layer of material (2) is of the order of a micron, and in that the laser used emits radiation of short length wave, such as advantageously an excimer laser, so as to obtain, after application of the laser pulses, a very precise mask which can be used in the integrated circuit industry. 8. Dispositif suivant les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que le matériau (3) est une couche de matériau quelconque suffisamment adhérent à la couche (2), elle-même en matériau plastique peu ductile, et en ce qu'il comporte en outre éventuellement un dispositif d'entrainement de cet ensemble bi-couches devant le laser (6), permettant d'utiliser le dispositif pour projeter de la matière (3), afin de faire du revêtement ou du marquage.8. Device according to claims 1, 2 and 3, characterized in that the material (3) is a layer of any material sufficiently adherent to the layer (2), itself of little ductile plastic material, and in that it also optionally includes a device for driving this two-layer assembly in front of the laser (6), making it possible to use the device for projecting material (3), in order to make the coating or the marking. 9. Dispositif suivant les revendications 1, 2, 3 et 8, caractérisé en ce que le matériau (3) est une substance colorée déposée par une voie quelconque sur la couche (2), et en ce qu'il comporte en outre:9. Device according to claims 1, 2, 3 and 8, characterized in that the material (3) is a colored substance deposited by any route on the layer (2), and in that it further comprises: .un support quelconque (5), tel qu'avantageusement une feuille de papier ou un film de plastique, disposé au droit de la couche (3) de manière à recevoir les projections de substance colorée, any support (5), such as advantageously a sheet of paper or a plastic film, placed in line with the layer (3) so as to receive the splashes of colored substance, .des moyens convenables (7) tels que des rouleaux pour entraîner le support (5) en défilement devant l'ensemble bi-couches (2 & 3), .suitable means (7) such as rollers for driving the support (5) in movement in front of the two-layer assembly (2 & 3), .éventuellement des moyens de chauffage (6) tels qu'avantageusement des lampes infra-rouges ou des résistances chauffantes, permettant de fixer la substance colorée sur son nouveau substrat, par exemple par fusion, le tout constituant une imprimante. . possibly heating means (6) such as advantageously infrared lamps or heating resistors, making it possible to fix the colored substance on its new substrate, for example by fusion, the whole constituting a printer. 10. Dispositif suivant les revendications 1, 2, 3 et 8, caractérisé en ce que la couche de matériau (3) est en or, permettant d'utiliser le dispositif pour faire de la dorure précise, localisée, d'épaisseur réglable, sur des objets quelconques même non-métalliques. 10. Device according to claims 1, 2, 3 and 8, characterized in that the material layer (3) is gold, allowing the device to be used to make precise, localized gilding, of adjustable thickness, on any objects, even non-metallic. 11. Dispositif suivant les revendications 1, 2, 3 et 8, caractérisé en ce que la couche de matériau (3) est constituée de pigments, tels que par exemple des oxydes colorés, et en ce qu'il comporte en outre un moyen de chauffage tel que par exemple un four ou une étuve, permettant de fondre ces substances colorantes après application et de les faire adhérer au support sur lequel elles ont été déposées, le tout constituant un moyen de décorer de manière précise des objets quelconques.11. Device according to claims 1, 2, 3 and 8, characterized in that the material layer (3) consists of pigments, such as for example colored oxides, and in that it further comprises a means of heating such as for example an oven or an oven, allowing these coloring substances to be melted after application and to make them adhere to the support on which they have been deposited, the whole constituting a means of decorating any objects precisely. 12. Dispositif suivant les revendications 1,2,3 et 8, caractérisé en ce que la couche de matériau (3) est métallique, et en ce qu'il comporte en outre des moyens (7), tel que par exemple un arc entretenu entre deux électrodes, permettant de porter les particules projetées de matériau (3) à leur point de fusion dans l'intervalle séparant la couche (3) de l'objet (9) sur lequel ces particules seront déposées, afin de métalliser la surface de l'objet.12. Device according to claims 1,2,3 and 8, characterized in that the layer of material (3) is metallic, and in that it further comprises means (7), such as for example a maintained arc between two electrodes, allowing the projected particles of material (3) to be brought to their melting point in the interval separating the layer (3) from the object (9) on which these particles will be deposited, in order to metallize the surface of the object. 13. Dispositif suivant les revendications l, 2, 3 et 8, caractérisé en ce que la couche (3) est en matière magnétique (par exemple à base d'oxyde de chrome Cr203), et en ce qu'il comporte en outre:13. Device according to claims l, 2, 3 and 8, characterized in that the layer (3) is made of magnetic material (for example based on chromium oxide Cr203), and in that it further comprises: .un support quelconque (10) de couleur claire réfléchissant bien la lumière, par exemple blanche, tel qu'avantageusement un film métallisé peint - on choisi un métal sensible au champ magnétique - sur lequel viendront se fixer les particules magnétiques, any light-colored support (10) reflecting light well, for example white, such as advantageously a painted metallic film - a metal sensitive to the magnetic field is chosen - on which the magnetic particles will be fixed, .éventuellement des moyens (11) permettant de faire circuler le support (10) devant l'ensemble bi-couches (2) & (3), tels que par exemple des rouleaux, possibly means (11) allowing the support (10) to circulate in front of the two-layer assembly (2) & (3), such as for example rollers, .des moyens (12) permettant de nettoyer le support (10), tels qu'avantageusement des électro-aimants, le tout constituant un moyen d'affichage urbain permettant de dessiner en temps réel des images ou des textes, par exemple publicitaires ou d'informations municipales, de grande dimension, et de les effacer avant d'afficher l'image suivante. .means (12) for cleaning the support (10), such as advantageously electromagnets, all constituting an urban display means for drawing in real time images or texts, for example advertising or advertising municipal information, of large dimension, and to erase them before posting the following image. 14. Dispositif suivant les revendications 1,2,3,8, et 9 ou 10 ou il ou 12 ou 13, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens tels que par exemple une pompe à vide et une enceinte étanche afin de réaliser un vide relatif dans l'espace séparant la couche (3) du support (5, 8, 9 ou 10). 14. Device according to claims 1,2,3,8, and 9 or 10 or he or 12 or 13, characterized in that it further comprises means such as for example a vacuum pump and a sealed enclosure in order to create a relative vacuum in the space separating the layer (3) from the support (5, 8, 9 or 10).
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