WO2006131088A2 - Verfahren zum dauerhaften aufbringen eines graustufen-bildes auf eine matte oberfläche - Google Patents

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WO2006131088A2
WO2006131088A2 PCT/DE2006/000776 DE2006000776W WO2006131088A2 WO 2006131088 A2 WO2006131088 A2 WO 2006131088A2 DE 2006000776 W DE2006000776 W DE 2006000776W WO 2006131088 A2 WO2006131088 A2 WO 2006131088A2
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gloss
laser beam
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Thomas Kiedrowski
Edgar Willenborg
Konrad Wissenbach
Sebastian Hack
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B44—DECORATIVE ARTS
    • B44C—PRODUCING DECORATIVE EFFECTS; MOSAICS; TARSIA WORK; PAPERHANGING
    • B44C1/00—Processes, not specifically provided for elsewhere, for producing decorative surface effects
    • B44C1/005—Processes, not specifically provided for elsewhere, for producing decorative surface effects by altering locally the surface material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B44—DECORATIVE ARTS
    • B44D—PAINTING OR ARTISTIC DRAWING, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; PRESERVING PAINTINGS; SURFACE TREATMENT TO OBTAIN SPECIAL ARTISTIC SURFACE EFFECTS OR FINISHES
    • B44D5/00—Surface treatment to obtain special artistic surface effects or finishes

Definitions

  • the present invention relates to a method of permanently applying a grayscale image to a dull, laser-beam polishable surface, wherein grayscale image data is provided that includes grayscale to pixel mapping of the image and on which the image is based Surface is applied.
  • Printing methods are used in which the image is printed on a suitably flat surface. Furthermore, it is known to introduce engraving techniques images in metallic surfaces.
  • DE 103 29 381 A1 describes a method and a device for producing a three-dimensional image on a substrate.
  • the image formation takes place by at least partial removal of the substrate surface with a laser beam. By partially ablating depressions, which can be contoured differently, introduced into the substrate surface.
  • the illumination of the processed substrate with up or
  • Transmitted light results at the depressions in each case a characteristic of the individual depression and the direction of illumination shadow and / or a different transmitted light effect. For a viewer, this creates a three-dimensional effect
  • the object of the present invention is to provide a method of permanently applying a high resolution grayscale image a surface, in particular a metallic surface allows.
  • the present method provides image data of the grayscale image comprising an assignment of gray levels to pixels of the image.
  • a laser beam from a pulsed laser is passed over the matte surface in contiguous or partially overlapping paths for smoothing processing. It must be a surface that can be polished with laser radiation.
  • the movement can, of course, both by a suitable movement of the laser beam via a stationary
  • the processing parameters are modulated or varied on the basis of the image data such that different gray levels of the pixels are converted into different gloss levels of the surface by locally different smoothing of the surface with the laser beam.
  • the technique of laser beam polishing is used to transfer freely definable greyscale images onto a surface, in particular a metallic surface. wear. It was discovered that this technique of laser beam polishing, which involves the remelting of a thin surface layer, allows grayscale images of high resolution to be applied to a dull surface. The resolution of the generated
  • the processing parameters i.
  • the scanning or scanning speed or the laser power in response to the image data of the grayscale image modulated such that pixels with different levels of gray in the original image in
  • Pixels with different gloss levels are implemented on the surface.
  • it is of course also possible to vary other processing parameters which influence the degree of gloss for example the time interval of the laser pulses via the repetition rate of the laser, the pulse duration of the laser pulses or the beam diameter of the laser beam.
  • the with the processing parameters reached maximum Ummmelztiefe amounts to a maximum of 20 microns and can also be ⁇ 10 microns, preferably at ⁇ 5 microns.
  • the smoothing processing preferably takes place with a laser pulse duration between 10 and 1000 ns.
  • the initial state of the surface must be dull in order to be able to produce the desired effect through the different degrees of gloss.
  • the degree of gloss of the individual pixels or the corresponding small image areas is infinitely adjustable in the present method, since the processing parameters such as laser power and scan speed, which influence the gloss level, are also infinitely adjustable.
  • a correction in the modulation of the processing parameters is undertaken.
  • the image data predefine the spatial extent of each individual pixel.
  • the processing is operated with a parameter value corresponding to the respective gray level of the pixel to be applied, until the distance on the surface corresponding to the spatial extent of the pixel has been covered. Subsequently, the parameter value is changed according to the gray level required for the next pixel.
  • a correction of the modulation is performed, which takes into account this situation. The correction takes place here depending on the degree of gloss to be produced or on the respective transition in the degree of gloss between respectively adjacent pixels.
  • the corresponding correction parameters or correction functions can be predefined for the respective
  • an assignment of gray levels to degrees of gloss prior to processing the surface is created or provided, from which a gloss level of the surface can be derived for each gray level, which at least approximately evokes the visual impression of the respective gray level. If such an assignment is not made, then the visual impression of the image generated on the surface of the template may differ.
  • a control program for the laser and / or the guide unit for the laser beam or the workpiece is preferably created before the processing of the surface, on the basis of which the processing is subsequently carried out.
  • the control program is generated from the image data, preferably including the correction described above. With the Control program can then apply the respective image as often as desired on surfaces for which the control program was generated.
  • a possibly superordinate macro-roughness for example in the form of a leather grain.
  • This also enables the creation of special visual effects, e.g. only raised areas of textured surfaces can be smoothed.
  • a grayscale image of such a surface or of a region of such a surface for example by scanning, can be generated.
  • This grayscale image is then transferred to the surface again using the present method by flattening only the raised areas.
  • the grayscale image corresponds to an image with only two gray levels corresponding to the recesses and raised areas.
  • Fig. 1 shows schematically an overview of the present method
  • Fig. 2 shows schematically an example of the guidance of the laser beam in overlapping tracks over the surface
  • FIG. 5 shows an example of two surface-generated stripe patterns with strips running perpendicular to the scan direction on the basis of image data with identical stripe width
  • Fig. 7 is a schematic representation of the transfer of the original pattern via the control program to the pattern formed on the surface without correction
  • FIG. 8 shows a schematic representation of the transmission of the original pattern via the control program to the pattern arising on the surface with correction
  • FIG. 9 is a diagram showing the shift required for the correction of the boundary between pixels as a function of the relative change in the degree of processing or gloss level between two pixels
  • FIG. 10 shows two examples of grayscale images transferred to a dull metallic surface in accordance with the present method.
  • the present method which is a modification of the known laser beam polishing, is used to generate
  • Fig. 1 shows schematically the procedure in the present method.
  • Bitmap file provided. Based on the file, a control program is generated in a computing unit 3, which converts the gray levels from the graphic into parameter values for machining parameters. In this way, depending on the gray levels in image 1, each position or every pixel is assigned a specific laser power, for example. With this control program, the laser beam 4 is then guided over the surface 5 of the workpiece 6, preferably in a meandering path as shown in FIG.
  • the surface 5 is smoothed as a function of the processing parameters, an image of different gloss levels is produced.
  • the initial state of the Surface 5 should be dull so that the image can be polished into the surface according to the present process.
  • FIG. 2 shows an enlarged view again of the laser beam 4 which is guided over the surface 5 in a meandering path 7.
  • the diameter d La s er / the scan speed v scan and the overlapping region dy the web 7 play a role.
  • the diameter of the laser beam corresponding to the s it at normal incidence is approximately the track width b of the track meandering path.
  • Fig. 3 shows an example of an eroded surface that has been processed with three different processing parameters.
  • the left section enlargement shows the eroded surface.
  • the three others show the surface after the laser beam polishing with increasing mean
  • Processing time for such a pattern is less than 20 s / cm 2 .
  • the variation of a large number of different processing parameters is possible with which different gloss levels can be achieved.
  • the average laser power and the scan speed for controlled the generation of different degrees of gloss as these processing parameters can often be easily controlled.
  • the average laser power and the scan speed were varied in ten steps each with a constant track pitch (distance of the track centers) of 10 ⁇ m and a focus diameter of the laser beam of 240 ⁇ xn.
  • the surface discolors. Going to higher scan speeds and lower average laser powers is followed by an area where the machined areas are high gloss. With even higher scanning speeds and lower average laser powers, the processing becomes weaker and weaker until no more processing is visible and the surface remains dull.
  • each grayscale must be assigned a gloss level or appropriate processing parameter.
  • the visual impression of the processed was Surface selected as a benchmark, as this is ultimately crucial for the image effect.
  • Such an assignment can be made iteratively, for example. First, for example, eight fields are polished with different laser power. These are then assessed visually according to whether the difference between the degree of gloss or the degree of gray mediated by this between the individual fields is uniform. If the difference is not uniform, then eight new fields are processed with adjusted laser powers and visually assessed again. This is repeated until a uniform gradation of the gloss level or the gray scale is achieved. On the basis of these eight interpolation points, a curve is computed to create stepless progressions.
  • the extent of the pixel produced on the surface can vary depending on the gloss level, since a laser pulse is higher Power smoothes a larger area than a laser pulse ⁇ low power.
  • This physical background must be taken into account in the implementation of the present method if the most accurate possible conversion of the original image is to take place.
  • the required corrections can be determined, for example, by the following method. Here are used as original pattern parallel strips of equal width, which are applied with alternately highest and lowest gloss level without correction to the surface.
  • FIG. 5 shows two photographs of such strips produced on the surface at different strip widths of 250 ⁇ m and 375 microns, wherein the strips are perpendicular to the scanning direction of the laser beam. Such strips are generated with the respective modulation of the laser power or the scan speed, as can be seen from FIG.
  • Fig. 7 schematically shows the transmission of the original pattern via the control program to the pattern formed on the surface without correction.
  • the pattern 10 to be generated is converted identically into the signal course 11 in the control program.
  • the resulting pattern on the surface then has the illustrated different strip widths perpendicular to the scan direction.
  • a correction of the modulation is performed, as shown in FIG. 8 can be seen.
  • the stripe width of the pattern 10 to be produced is reduced with regard to the heavily processed stripes, as can be seen from the signal curve in the control program 11. Due to this correction or compensation, the pattern 12 formed on the surface has the correct identical stripe width of all stripes.
  • the dependence of the strip width arising on the surface on the strip width of the original pattern (also referred to as the control strip width) was determined. This dependence is shown in the diagram of FIG.
  • Strip is narrower by 150 microns and the adjacent weakly processed strip (low gloss) by 150 microns wider.
  • the resulting strip width on the surface then coincides with the desired width.
  • This means that the strip boundaries of the heavily processed strips on both sides have to be shifted inwards by k / 2 75 ⁇ m in order to achieve the corresponding result during processing.
  • k / 2 75 ⁇ m in order to achieve the corresponding result during processing.
  • a linear relationship between the relative change in the degree of processing and the shift of the strip boundary is established.
  • the relative change from weakest to strongest processing is equal to 1 and vice versa equal to -1.
  • the strip boundary When changing the processing level from low to high, the strip boundary must be moved backwards by k / 2 in the scan direction, ie the heavy processing starts later. Conversely, when changing from heavy editing to poor editing, the band boundary must be moved forward by k / 2, so that heavy editing stops earlier.
  • Fig. 10 shows two examples of surface images produced by the present method.
  • the left picture is a

Landscapes

  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum dauerhaften Aufbringen eines Graustufen-Bildes (1) auf eine matte, mit Laserstrahlung polierbare Oberfläche (5) , bei dem Bilddaten des Graustufen-Bildes (1) bereitgestellt werden, die eine Zuordnung von Graustufen zu Bildpunkten des Bildes umfassen. Ein Laserstrahl (4) eines gepulsten Lasers wird zur glättenden Bearbeitung in aneinander grenzenden oder teilweise überlappenden Bahnen (7) über die Oberfläche (5) geführt, während Bearbeitungsparameter auf Basis der Bilddaten derart moduliert werden, dass unterschiedliche Graustufen der Bildpunkte durch lokal unterschiedliches Glätten der Oberfläche (5) in unterschiedliche Glanzgrade der Oberfläche (5) umgesetzt werden. Mit dem vorliegenden Verfahren lassen sich Graustufen-Bilder hoher Auflösung in die Oberflächen von metallischen Werkstücken polieren.

Description

Verfahren zum dauerhaften Aufbringen eines Graustufen- Bildes auf eine matte Oberfläche
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum dauerhaften Aufbringen eines Graustufen-Bildes auf eine matte, mit Laserstrahlung polierbare Oberfläche, bei dem Bilddaten des Graustufen-Bildes bereitgestellt werden, die eine Zuordnung von Graustufen zu Bildpunkten des Bildes umfassen und auf deren Basis das Bild auf die Oberfläche aufgebracht wird.
Stand der Technik
Zum dauerhaften Aufbringen von Bildern auf Oberflächen von Festkörpern, insbesondere auf metallische Oberflächen, können beispielsweise
Druckverfahren eingesetzt werden, bei denen das Bild auf eine geeignet ebene Oberfläche aufgedruckt wird. Weiterhin ist es bekannt, mit Gravurtechniken Bilder in metallische Oberflächen einzubringen.
Die DE 102 28 743 Al beschreibt ein Verfahren zum Glätten und Polieren von Oberflächen durch Bearbeitung mit Laserstrahlung. Dieses so genannte Laserstrahl- Polieren beruht auf dem Umschmelzen einer dünnen Randschicht der Oberfläche. In der schmelzflüssigen Phase werden Oberflächenrauhigkeiten infolge der Grenzflächenspannung geglättet und der Werkstoff erstarrt anschließend mit der geglätteten Oberfläche. Das Laserstrahl-Polieren ist mit dem konventionellen Schleifen und Polieren vergleichbar und stellt in der Regel einen mehrstufigen Prozess dar. So beschreibt die oben genannte Druckschrift einen zumindest zweistufigen Prozess, bei dem zunächst in einem Makro-Polierschritt eine Randschicht von ca. 10 bis 100 μm umgeschmolzen wird, um Fräsriefen oder Erodierstrukturen zu glätten. Anschließend erfolgt ein Mikro-Polierschritt mit gepulster Laserstrahlung, bei dem die umgeschmolzene Randschicht eine deutlich geringere Tiefe von ≤ 10 μm aufweist. Durch das Mikropolieren wird der Glanzgrad der Oberfläche erhöht.
In der DE 103 29 381 Al sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung eines dreidimensional wirkenden Bildes auf einem Substrat beschrieben. Bei dem Verfahren erfolgt die Bilderzeugung durch zumindest teilweises Abtragen der Substratoberfläche mit einem Laserstrahl . Durch das teilweise Abtragen werden Vertiefungen, die unterschiedlich konturiert sein können, in die Substratoberfläche eingebracht. Bei der Beleuchtung des bearbeiteten Substrats mit Auf- oder
Durchlicht ergibt sich an den Vertiefungen jeweils ein für die einzelne Vertiefung und die Beleuchtungsrichtung charakteristischer Schattenwurf und/oder eine unterschiedliche Durchlicht-Wirkung. Für einen Betrach- ter entsteht dadurch ein dreidimensional wirkendes
Bild. Es werden allerdings keine Angaben zur Auflösung des auf das Substrat aufgebrachten dreidimensional wirkenden Bildes gemacht.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, das das dauerhafte Aufbringen eines Graustufen-Bildes hoher Auflösung auf eine Oberfläche, insbesondere eine metallische Oberfläche ermöglicht.
Darstellung der Erfindung Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß
Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Beim vorliegenden Verfahren werden Bilddaten des Graustufen-Bildes bereitgestellt, die eine Zuordnung von Graustufen zu Bildpunkten des Bildes umfassen. Ein Laserstrahl eines gepulsten Lasers wird in aneinander grenzenden oder teilweise überlappenden Bahnen zur glättenden Bearbeitung über die matte Oberfläche geführt. Es muss sich hierbei um eine Oberfläche handeln, die mit Laserstrahlung poliert werden kann. Die Bewegung kann dabei selbstverständlich sowohl durch geeignete Bewegung des Laserstrahls über eine ortsfeste
Oberfläche als auch durch eine Bewegung der Oberfläche unter einem feststehenden Laserstrahl erfolgen. Während der Bewegung werden die Bearbeitungsparameter auf Basis der Bilddaten derart moduliert bzw. variiert, dass unterschiedliche Graustufen der Bildpunkte durch lokal unterschiedliches Glätten der Oberfläche mit dem Laserstrahl in unterschiedliche Glanzgrade der Oberfläche umgesetzt werden.
Bei dem vorliegenden Verfahren wird somit die
Technik des Laserstrahl-Polierens eingesetzt, um frei vorgebbare Graustufen-Bilder auf eine Oberfläche, insbesondere eine metallische Oberfläche, zu über- tragen. Hierbei wurde erkannt, dass sich mit dieser Technik des Laserstrahl-Polierens, bei der eine dünne Oberflächenschicht umgeschmolzen wird, Graustufen- Bilder hoher Auflösung auf eine matte Oberfläche aufbringen lassen. Die Auflösung der erzeugten
Oberflächenbilder ist dabei im Wesentlichen durch den Strahldurchmesser des eingesetzten Lasers vorgegeben. So können mit kommerziell erhältlichen gepulsten Bearbeitungslasern mit Strahldurchmessern von 250 μm ohne weiteres Bilder mit 100 dpi Auflösung auf der Oberfläche erzeugt werden.
Bei dem Verfahren wird nicht die eingangs beschriebene Technik des Makro-Polierens, sondern lediglich die des Mikro-Polierens eingesetzt, um die unterschiedlichen Glanzgrade zu erzeugen. Ein Bild wird dabei in der Regel durch einmaliges Überstreichen der Bildfläche mit dem Laserstrahl erzeugt. Es handelt sich somit um einen einstufigen Bearbeitungsprozess . Während der Bewegung des Laserstrahls über die Oberfläche werden die Bearbeitungsparameter, d.h. vorzugsweise die Abtast- oder Scan-Geschwindigkeit oder die Laserleistung, in Abhängigkeit von den Bilddaten des Graustufen-Bildes derart moduliert, dass Bildpunkte mit unterschiedlichen Graustufen im Ursprungsbild in
Bildpunkte mit unterschiedlichen Glanzgraden auf der Oberfläche umgesetzt werden. Neben der Modulation von Scan-Geschwindigkeit und Laserleistung können selbstverständlich auch andere Bearbeitungsparameter variiert werden, die den Glanzgrad beeinflussen, beispielsweise der zeitliche Abstand der Laserpulse über die Repetitionsrate des Lasers, die Pulsdauer der Laserpulse oder der Strahldurchmesser des Laserstrahls. Die mit den Bearbeitungsparametern erreichte maximale Umschmelztiefe beträgt dabei maximal 20 μm und kann auch bei < 10 μm, vorzugsweise bei < 5 μm liegen. Vorzugsweise erfolgt die glättende Bearbeitung mit einer Laserpulsdauer zwischen 10 und 1000 ns .
Für das Einbringen der Graustufen-Bilder in eine Oberfläche muss der Ausgangszustand der Oberfläche matt sein, um durch die unterschiedlichen Glanzgrade die gewünschte Wirkung hervorrufen zu können. Besonders gut eignen sich hierbei beispielsweise erodierte oder gestrahlte Oberflächen. Der Glanzgrad der einzelnen Bildpunkte bzw. der diesen entsprechenden kleinen Bildbereiche ist bei dem vorliegenden Verfahren stufenlos einstellbar, da die Bearbeitungsparameter wie Laserleistung und Scan-Geschwindigkeit, die den Glanzgrad beeinflussen, ebenfalls stufenlos einstellbar sind.
Mit dem vorliegenden Verfahren werden zahlreiche
Design-Möglichkeiten für Festkörperoberflächen, insbesondere metallische Oberflächen, eröffnet. Zum einen können Design-Elemente wie Firmenlogos auch mit einem größeren Grauwertumfang effektvoll direkt auf metallische Oberflächen aufgebracht werden. Weiterhin können auch Oberflächen von Spritzgieß-Werkzeugen bearbeitet werden, so dass die entsprechenden Bilder in die mit den Spritzgieß-Werkzeugen hergestellten Kunststoffteile übertragen werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Herstellung von Geschenkartikeln, da mit dem vorliegenden Verfahren beispielsweise Fotos in die Oberfläche einpoliert werden können. Zur Erzielung der gewünschten Ortsauflösung wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens in Scan-Richtung eine Korrektur bei der Modulation der Bearbeitungsparameter vorge- nommen. Die Bilddaten geben hierbei in Abhängigkeit von der gewünschten Größe des Bildes auf der Oberfläche die räumliche Ausdehnung jedes einzelnen Bildpunktes vor. In der einfachsten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird die Bearbeitung mit einem der jeweiligen Graustufe des gerade aufzubringenden Bildpunktes entsprechenden Parameterwert betrieben, bis die der räumlichen Ausdehnung des Bildpunktes entsprechende Strecke auf der Oberfläche überstrichen ist . Anschließend wird der Parameterwert entsprechend der für den nächsten Bildpunkt erforderlichen Graustufe geändert. Eine derartige Vorgehensweise führt allerdings aufgrund der für die Erzeugung der unterschiedlichen Glanzgrade erforderlichen unterschiedlichen Umschmelzung in der Regel nicht zur beabsichtigten Größe des Bildpunktes auf der Oberfläche. So führt eine höhere Umschmelztiefe zu größeren Bildpunkten als eine kleinere Umschmelztiefe . Bei der vorliegenden bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird daher eine Korrektur der Modulation durchgeführt, die diesen Sachverhalt berücksichtigt. Die Korrektur erfolgt hierbei in Abhängigkeit vom jeweils zu erzeugenden Glanzgrad oder vom jeweiligen Übergang im Glanzgrad zwischen jeweils benachbarten Bildpunkten. Die entsprechenden Korrekturparameter oder Korrektur- funktionen lassen sich vorab für die jeweilige
Oberfläche und die verfügbaren Bearbeitungsparameter ermitteln. Mit dieser Korrektur der Modulation der Bearbeitungsparameter lassen sich Bildpunkte auf der — *~J _
Oberfläche erzeugen, deren Ausdehnung in Scan-Richtung im Wesentlichen identisch ist. Abweichungen in der Ausdehnung der Bildpunkte senkrecht zur Scan-Richtung können in gleicher Weise kompensiert werden, wenn der Spurabstand zwischen den einzelnen Spuren bzw. Bahnen deutlich kleiner als der Strahldurchmesser gewählt wird.
Vorzugsweise wird beim vorliegenden Verfahren eine Zuordnung von Graustufen zu Glanzgraden vor der Bearbeitung der Oberfläche erstellt oder bereitgestellt, aus der für jede Graustufe ein Glanzgrad der Oberfläche abgeleitet werden kann, der zumindest annähernd den visuellen Eindruck der jeweiligen Graustufe hervorruft. Wird eine derartige Zuordnung nicht vorgenommen, so kann der visuelle Eindruck des auf der Oberfläche erzeugten Bildes von der Vorlage abweichen. In gleicher Weise kann selbstverständlich auch eine Zuordnung von Graustufen zu Bearbeitungs- parameterwerten erstellt oder bereitgestellt werden, aus der für jede Graustufe ein Parameterwert abgeleitet werden kann, der zu einem entsprechenden Glanzgrad der Oberfläche führt, der zumindest annähernd den visuellen Eindruck der jeweiligen Graustufe hervorruft.
Für die Durchführung des Verfahrens wird vorzugsweise vor der Bearbeitung der Oberfläche ein Steuerungsprogramm für den Laser und/oder die Führungseinheit für den Laserstrahl oder das Werkstück erstellt, auf dessen Basis anschließend die Bearbeitung durchgeführt wird. Das Steuerungsprogramm wird aus den Bilddaten, vorzugsweise unter Einbeziehung der weiter oben beschriebenen Korrektur, generiert. Mit dem Steuerungsprogramm kann dann das jeweilige Bild beliebig oft auf Oberflächen aufgebracht werden, für die das Steuerungsprogramm generiert wurde .
Bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens wird nur die Mikro-Rauheit der Oberfläche geglättet, eine eventuell übergeordnete Makro-Rauheit, beispielsweise in Form einer Ledernarbung, bleibt erhalten. Dies ermöglicht auch die Erzeugung besonderer visueller Effekte, bei denen z.B. nur erhabene Bereiche von strukturierten Oberflächen geglättet werden. So kann beispielsweise zunächst ein Graustufen-Bild von einer derartigen Oberfläche oder eines Bereiches einer derartigen Oberfläche, beispielsweise durch Abscannen, erzeugt werden. Dieses Graustufen-Bild wird dann mit dem vorliegenden Verfahren wiederum auf die Oberfläche übertragen, indem jeweils nur die erhabenen Bereiche geglättet werden. Das Graustufen-Bild entspricht dabei einem Bild mit lediglich zwei Graustufen, die den Vertiefungen und erhabenen Bereichen entsprechen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den
Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Überblick über das vorliegende Verfahren; Fig. 2 schematisch ein Beispiel für die Führung des Laserstrahls in überlappenden Bahnen über die Oberfläche;
Fig. 3 ein Beispiel für unterschiedliche Glanzgrade nach dem Laserstrahl-Polieren einer erodierten Oberfläche mit verschiedenen Bearbeitungs- parametern;
Fig. 4 zwei Beispiele für eine Zuordnung von Bearbeitungsparametern zu Glanzgraden;
Fig. 5 ein Beispiel für zwei auf der Oberfläche erzeugte Streifenmuster mit senkrecht zur Scan-Richtung verlaufenden Streifen auf Basis von Bilddaten mit identischer Streifenbreite;
Fig. 6 ein Beispiel für die Abhängigkeit der entstehenden Streifenbreite von der Streifenbreite der Bilddaten bei unterschiedlichen Glanzgraden;
Fig. 7 eine schematische Darstellung der Übertragung des Ursprungsmusters über das Steuerprogramm zu dem auf der Oberfläche entstehenden Muster ohne Korrektur;
Fig. 8 eine schematische Darstellung der Übertragung des Ursprungsmusters über das Steuerprogramm zu dem auf der Oberfläche entstehenden Muster mit Korrektur; Fig. 9 ein Diagramm, das die für die Korrektur erforderliche Verschiebung der Grenze zwischen Bildpunkten in Abhängigkeit von der relativen Änderung des Bearbeitungsgrades oder Glanz- grades zwischen zwei Bildpunkten zeigt; und
Fig. 10 zwei Beispiele für Graustufen-Bilder, die gemäß dem vorliegenden Verfahren auf eine matte, metallische Oberfläche übertragen wurden.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In den folgenden Beispielen wird das vorliegende Verfahren, das eine Modifikation des bekannten Laserstrahl-Polierens darstellt, zur Generierung von
Bildern auf metallischen Oberflächen eingesetzt. Fig. 1 zeigt schematisch die Vorgehensweise beim vorliegenden Verfahren. Das Bild 1, das auf der Oberfläche 5 eines Werkstücks 6 generiert werden soll, wird im vorliegenden Beispiel als Graustufen-Grafik in einer
Bitmap-Datei bereitgestellt . Ausgehend von der Datei wird in einer Recheneinheit 3 ein Steuerungsprogramm generiert, das die Graustufen aus der Grafik in Parameterwerte für Bearbeitungsparameter umwandelt . Auf diese Weise wird abhängig von den Graustufen im Bild 1 jeder Position bzw. jedem Bildpunkt beispielsweise eine bestimmte Laserleistung zugewiesen. Mit diesem Steuerungsprogramm wird dann der Laserstrahl 4 über die Oberfläche 5 des Werkstücks 6 geführt, vorzugsweise in einer mäanderförmigen Bahn wie in der Fig. 1 gezeigt.
Da hierbei die Oberfläche 5 in Abhängigkeit der Bearbeitungsparameter geglättet wird, entsteht ein Bild aus verschiedenen Glanzgraden. Der Ausgangszustand der Oberfläche 5 sollte dabei matt sein, damit das Bild gemäß dem vorliegenden Verfahren in die Oberfläche poliert werden kann.
Fig. 2 zeigt in einer vergrößerten Darstellung nochmals den Laserstrahl 4, der in einer mäander- förmigen Bahn 7 über die Oberfläche 5 geführt wird. Für die Ortsauflösung des dabei aufgebrachten Bildes spielen unter anderem der Durchmesser dLaser/ die Scan- Geschwindigkeit vscan und der überlappende Bereich dy der Bahn 7 eine Rolle. Der Durchmesser dieser des Laserstrahls entspricht bei senkrechtem Einfall in etwa der Spurbreite bSpUr der mäanderförmigen Bahn.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel für eine erodierte Oberfläche, die mit drei unterschiedlichen Bearbeitungsparametern bearbeitet wurde. Die linke Ausschnittvergrößerung zeigt hierbei die erodierte Oberfläche. Die drei weiteren zeigen die Oberfläche nach dem Laserstrahl-Polieren mit zunehmender mittlerer
Laserleistung PL. Durch die unterschiedlichen Bearbeitungsparameter werden unterschiedliche Glanzgrade erreicht, die den visuellen Eindruck unterschiedlicher Graustufen vermitteln, wie in der oberen Abbildung der Fig. 3 erkennbar ist. Die
Bearbeitungszeit für ein derartiges Muster liegt unter 20 s/cm2.
Grundsätzlich ist die Variation einer großen Anzahl von unterschiedlichen Bearbeitungsparametern möglich, mit denen unterschiedliche Glanzgrade erzielt werden können. In den folgenden Beispielen werden die mittlere Laserleistung und die Scan-Geschwindigkeit für die Erzeugung unterschiedlicher Glanzgrade gesteuert, da sich diese Bearbeitungsparameter häufig problemlos steuern lassen. In den Voruntersuchungen wurden hierbei bei konstantem Spurabstand (Abstand der Bahnmitten) von 10 μm und einem Fokusdurchmesser des Laserstrahls von 240 μxn die mittlere Laserleistung und die Scan- Geschwindigkeit in jeweils zehn Schritten variiert. Bei kleiner Scan-Geschwindigkeit und großer mittlerer Laserleistung verfärbt sich die Oberfläche. Hin zu größeren Scan-Geschwindigkeiten und geringeren mittleren Laserleistungen folgt ein Bereich, in dem die bearbeiteten Flächen hochglänzend sind. Bei noch größeren Scan-Geschwindigkeiten und geringeren mittleren Laserleistungen wird die Bearbeitung immer schwächer, bis keine Bearbeitung mehr zu erkennen ist und die Oberfläche matt bleibt.
Auf Basis dieser Voruntersuchungen wurde der Parameterbereich für die Scan-Geschwindigkeits- modulation auf den Bereich von vScan = 25 bis 1600 mm/s bei einer mittleren Laserleistung von PL = 40 W festgelegt, da für diesen Bereich bei der betrachteten erodierten Oberfläche einer Stahlplatte gute Grauabstufungen erzielt werden konnten. Der Parameter- bereich für die Laserleistungsmodulation wurde auf PL = 20 bis 50 W bei einer Scan-Geschwindigkeit von 50 mm/s festgelegt.
Um Graustufen-Bilder in ein laserpoliertes Bild zu übertragen, muss jeder Graustufe ein Glanzgrad bzw. ein geeigneter Bearbeitungsparameter zugewiesen werden. Für die Bestimmung dieser Zuordnung wurde im vorliegenden Beispiel der visuelle Eindruck der bearbeiteten Oberfläche als Maßstab gewählt, da dieser letztendlich für die Bildwirkung entscheidend ist. Eine solche Zuordnung kann beispielsweise iterativ vorgenommen werden. Zunächst werden beispielsweise acht Felder mit unterschiedlicher Laserleistung poliert. Diese werden anschließend visuell danach beurteilt, ob der Unterschied des Glanzgrades bzw. der durch diesen vermittelten Graustufe zwischen den einzelnen Feldern gleichmäßig ist. Ist der Unterschied nicht gleichmäßig, so werden anschließend acht neue Felder mit angepassten Laserleistungen bearbeitet und erneut visuell beurteilt. Dies wird so oft wiederholt, bis eine gleichmäßige Abstufung des Glanzgrades bzw. der Graustufen erreicht ist. Auf Basis dieser acht Stützstellen wird eine Kurve zum Erstellen von stufenlosen Verläufen berechnet . In gleicher Weise wird für die Scan- Geschwindigkeitsmodulation vorgegangen. Das Ergebnis ist in Fig. 4 dargestellt, in dem der Verlauf der Laserleistung (linke Abbildung) bzw. der Scan- Geschwindigkeit (rechte Abbildung) bei kontinuierlich ansteigendem Glanzgrad aufgetragen ist. Anstelle des Glanzgrades kann selbstverständlich auch die Graustufe angegeben werden. Durch diese Zuordnung lässt sich bei beliebig vorgebbaren Graustufen-Bildern ein geeignetes Steuerprogramm für das Laserstrahl -Polieren erstellen, um das Graustufen-Bild in ein Oberflächenbild mit geeigneten Glanzgraden umzusetzen.
Bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens muss beachtet werden, dass bei vorgegebener Ausdehnung eines Bildpunktes in der Bilddatei die Ausdehnung des auf der Oberfläche erzeugten Bildpunktes abhängig vom Glanzgrad variieren kann, da ein Laserpuls hoher Leistung eine größere Fläche glättet als ein Laserpuls ■ kleiner Leistung. Dieser physikalische Hintergrund muss bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens berücksichtigt werden, wenn eine möglichst genaue Umsetzung des Ursprungsbildes erfolgen soll. Dies erfordert eine Korrektur der Laserstrahl-Modulation beim Aufbringen der Bilder. Die erforderlichen Korrekturen können beispielsweise mit dem folgenden Verfahren ermittelt werden. Hierbei werden als Ursprungsmuster parallele Streifen gleicher Breite herangezogen, die mit abwechselnd höchstem und niedrigstem Glanzgrad ohne Korrektur auf die Oberfläche aufgebracht werden.
Aus der Fig. 5 ist ersichtlich, dass hierbei die Streifen mit niedrigem Glanzgrad 8 wesentlich schmäler sind als die Streifen mit hohem Glanzgrad 9. Die Fig. 5 zeigt zwei Aufnahmen derartiger, auf der Oberfläche erzeugter Streifen bei unterschiedlichen Streifen- breiten von 250 μm und 375 μm, wobei die Streifen senkrecht zur Scan-Richtung des Laserstrahls verlaufen. Derartige Streifen werden mit der jeweiligen Modulation der Laserleistung bzw. der Scan-Geschwindigkeit erzeugt, wie aus Figur 7 ersichtlich ist.
Fig. 7 zeigt schematisch die Übertragung des Ursprungsmusters über das Steuerprogramm zu dem auf der Oberfläche entstehenden Muster ohne Korrektur. Hierbei wird das zu erzeugende Muster 10 identisch in den Signalverlauf 11 im Steuerprogramm überführt. Das auf der Oberfläche entstehende Muster weist dann die dargestellten unterschiedlichen Streifenbreiten senkrecht zur Scan-Richtung auf . Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird daher eine Korrektur der Modulation durchgeführt, wie sie aus Fig. 8 ersichtlich ist. Die Streifenbreite des zu erzeugenden Musters 10 wird dabei hinsichtlich der stark bearbeiteten Streifen reduziert, wie dies aus dem Signalverlauf im Steuerprogramm 11 zu erkennen ist. Aufgrund dieser Korrektur bzw. Kompensation weist das auf der Oberfläche entstehende Muster 12 die korrekte identische Streifenbreite aller Streifen auf.
Für die Ermittlung der entsprechenden Korrektur wurde die Abhängigkeit der auf der Oberfläche entstehenden Streifenbreite von der Streifenbreite des Ursprungsmusters (auch als Steuerstreifenbreite bezeichnet) ermittelt. Diese Abhängigkeit .ist in dem Diagramm der Fig. 6 gezeigt. Für die Erstellung dieses Diagramms wurde eine Repetitionsrate von 20 kHz bei einem Fokusdurchmesser von 250 μm, einer Scan- Geschwindigkeit von 50 mm/s und einer mittleren Laserleistung von 20 bis 50 Watt eingesetzt. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass durch eine Reduzierung der Breite des stark bearbeiteten Streifens (hoher Glanz) um die Hälfte des Fehlers (k = 150 μm) dieser
Streifen um 150 μm schmaler und der angrenzende schwach bearbeitete Streifen (niedriger Glanz) um 150 μm breiter wird. Die auf der Oberfläche entstehende Streifenbreite stimmt dann mit der gewünschten Breite überein. Das bedeutet, dass die Streifengrenzen der stark bearbeiteten Streifen auf beiden Seiten um k/2 = 75 μm nach innen verschoben werden müssen, um bei der Bearbeitung das entsprechende Ergebnis zu erzielen. Um eine derartige Kompensation bei verschiedenen Graustufen bzw. Glanzgraden durchzuführen, wird ein linearer Zusammenhang zwischen der relativen Änderung des Bearbeitungsgrades und der Verschiebung der Streifengrenze hergestellt. Dabei ist die relative Änderung von schwächster zu stärkster Bearbeitung gleich 1 und umgekehrt gleich -1. Bei einer Änderung des Bearbeitungsgrades von niedrig auf hoch muss damit die Streifengrenze um k/2 in Scan-Richtung nach hinten verschoben werden, d.h. die starke Bearbeitung setzt später ein. Umgekehrt muss bei einem Wechsel von starker Bearbeitung zu schwacher Bearbeitung die Streifengrenze um k/2 nach vorne verschoben werden, so dass die starke Bearbeitung früher aufhört.
Im Diagramm der Fig. 9, das auf Basis dieser Untersuchungen erstellt wurde, kann abgelesen werden, welche Verschiebung der Streifengrenze, die der Grenze zwischen zwei Bildpunkten in Scan-Richtung entspricht, bei welcher relativen Änderung des Bearbeitungsgrades zwischen zwei Bildpunkten zu erfolgen hat. Unten im Bild ist schematisch die Änderung der Streifenbreiten dargestellt, links ein Sprung von starker Bearbeitung zu schwacher Bearbeitung und rechts ein Sprung von schwacher zu starker Bearbeitung (schwarz = stark bearbeitet; weiß = schwach bearbeitet) .
Fig. 10 zeigt schließlich zwei Beispiele von Oberflächenbildern, die mit dem vorliegenden Verfahren erzeugt wurden. In der linken Abbildung ist ein
Portrait-Foto auf die Oberfläche poliert, auf dem rechten Bild eine Comic-Zeichnung, die nur aus Linien besteht. Exemplarisch ist für eine Linie in dieser Comic-Zeichnung im unteren Teil der Abbildung die Modulation des Verlaufs der Laserleistung dargestellt, mit der der Laser über diese Linie der Oberfläche geführt wurde. Die Positionen in den Bildern, die einen hohen Glanzgrad haben (im Bild dunkel) , sind mit hoher, die Bereiche dazwischen mit niedriger Laserleistung erzeugt worden .
Bezugszeichenliste
1 Graustufen-Bild 2 Oberflächenbild
3 Recheneinheit
4 Laserstrahl
5 Oberfläche
6 Werkstück 7 Bahn
8 Streifen mit niedrigem Glanzgrad
9 Streifen mit hohem Glanzgrad

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum dauerhaften Aufbringen eines Graustufen-Bildes (1) auf eine matte, mit Laserstrahlung polierbare Oberfläche (5) , bei dem Bilddaten des Graustufen-Bildes (1) bereitgestellt werden, die eine Zuordnung von Graustufen zu Bildpunkten des Bildes (1) umfassen, und bei dem ein Laserstrahl (4) eines gepulsten Lasers in aneinander grenzenden oder teilweise überlappenden Bahnen (7) für eine glättende Bearbeitung über die Oberfläche (5) geführt wird, während Bearbeitungs- parameter auf Basis der Bilddaten derart moduliert werden, dass unterschiedliche Graustufen der Bildpunkte durch lokal unterschiedliches Glätten der Oberfläche (5) in unterschiedliche Glanzgrade der Oberfläche (5) umgesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Bearbeitungsparameter eine Geschwindigkeit moduliert wird, mit der der Laserstrahl (4) über die Oberfläche (5) geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Bearbeitungsparameter eine Laserleistung des gepulsten Lasers moduliert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf den Bilddaten basierende Ausdehnung der Bildpunkte bei der Modulation der Bearbeitungsparameter in Abhängigkeit von der Graustufe des jeweiligen Bildpunktes oder von Graustufenüber- gangen zu benachbarten Bildpunkten korrigiert wird, um für jeden Bildpunkt auf der Oberfläche (5) eine annähernd gleiche Ausdehnung zumindest in einer Abtastrichtung zu erhalten, in der der Laserstrahl (4) über die Oberfläche (5) geführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur eine Verschiebung von Grenzen zwischen Bildpunkten unterschiedlicher Graustufe umfasst .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das lokale Glätten durch lokales Umschmelzen der Oberfläche (5) bis zu einer Umschmelztiefe von maximal 20 μm erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die matte Oberfläche (5) eine Zuordnung von Graustufen zu Glanzgraden erstellt oder bereitgestellt wird, aus der für jede Graustufe ein Glanzgrad der Oberfläche (5) abgeleitet werden kann, der zumindest annähernd den visuellen Eindruck der jeweiligen Graustufe hervorruft.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für die Oberfläche (5) eine Zuordnung von Graustufen zu Parameterwerten der modulierten Bearbeitungsparameter erstellt oder bereitgestellt wird, aus der für jede Graustufe ein Parameterwert abgeleitet werden kann, der zu einem Glanzgrad der Oberfläche (5) führt, der zumindest annähernd den visuellen Eindruck der jeweiligen Graustufe hervorruft .
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Bearbeitungsparameter mit einem aus den Bilddaten generierten Steuerprogramm erfolgt, mit dem der Laser und/oder die Führung des Laserstrahls (4) über die Oberfläche (5) gesteuert werden .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (4) in einer mäanderförmigen
Bahn (7) über die Oberfläche (5) geführt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die glättende Bearbeitung einer Laserpulsdauer zwischen 10 und 1000 ns erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als matte Oberfläche (5) eine Oberfläche mit einem Muster aus erhabenen Bereichen und Vertiefungen bereitgestellt wird, das Graustufen- Bild (1) von zumindest einem Bereich des Musters mit zwei unterschiedlichen Graustufen erstellt wird, die den erhabenen Bereichen und Vertiefungen entsprechen, und die Bearbeitungsparameter auf Basis der Bilddaten derart moduliert werden, dass nur die erhabenen Bereiche oder nur die
Vertiefungen der Oberfläche (5) geglättet werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als matte Oberfläche (5) erodierte, gestrahlte oder geätzte Oberfläche eingesetzt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Graustufen-Bild (1) auf die Oberfläche (5) eines Spritzgießwerkzeuges aufgebracht wird, um das Bild (1) auf mit dem Spritzgießwerkzeug herzustellende Objekte, insbesondere Kunststoffteile zu übertragen.
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