WO2008101790A1 - Verfahren zum beschriften oder markieren von oberflächen - Google Patents

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WO2008101790A1
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metal
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laser
absorption
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Arne Koops
Sven Reiter
Norio Arai
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Tesa Se
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41M—PRINTING, DUPLICATING, MARKING, OR COPYING PROCESSES; COLOUR PRINTING
    • B41M5/00—Duplicating or marking methods; Sheet materials for use therein
    • B41M5/26—Thermography ; Marking by high energetic means, e.g. laser otherwise than by burning, and characterised by the material used
    • B41M5/262—Thermography ; Marking by high energetic means, e.g. laser otherwise than by burning, and characterised by the material used recording or marking of inorganic surfaces or materials, e.g. glass, metal, or ceramics

Definitions

  • the invention relates to a method for marking or marking surfaces, in particular surfaces of metals.
  • a label by means of material application, as with paint, or even with a material removal, as in an engraving done.
  • a so-called occasion lettering or a startup label can be made.
  • the metal on its surface by a targeted change in temperature changes its color in areas.
  • the surface gets a colored appearance through oxidation processes on the surface and thus a colored coloring, marking or inscription.
  • the thickness of the oxidation layer can be influenced since the diffusion of the oxygen atoms is dependent on the tempering temperature and / or the annealing time.
  • lasers are used to generate an annotation inscription.
  • a surface layer is roughened and / or changed in its microstructure, so that, for example, weakening of the material can also occur.
  • the object of the invention is to provide a method for labeling or marking of surfaces of metals, in which the disadvantages of the prior art are reduced or avoided and the smoothest possible inscribed or marked surface is achieved.
  • the object is achieved with a method for labeling or marking of surfaces, in particular metal surfaces, wherein the surface to be labeled or to be marked is coated in a first step with an absorption promoter and then An energy-rich beam, such as a laser beam, is applied to surface elements to be labeled or marked, which increases the surface via a discoloring temperature.
  • An energy-rich beam such as a laser beam
  • Preference is given to cleaning the surface before applying the absorption promoter.
  • the surface is cleaned of residues and / or absorption promoter which is no longer needed.
  • the absorption promoter can be applied as a lacquer or as a gluable or adhering foil element.
  • an intermediate layer is present between the absorption promoter and the surface.
  • This intermediate layer advantageously has a thickness d in the range of 25 to 100 ⁇ m. It is particularly advantageous if the absorption promoter is essentially applied only to surface areas to be labeled later or to be marked.
  • the absorption promoter can also be applied over a large area.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a surface to be labeled or to be marked
  • Fig. 2 is a diagram
  • Fig. 3 is a block diagram for illustrating the method according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows a metal surface which is to be labeled or marked.
  • a layer 2 is applied to the metal surface, wherein the layer consists of a so-called absorption promoter.
  • the layer has a distance d from the metal surface.
  • high-energy radiation such as laser radiation 4, for example as a laser pulse
  • the radiation or the laser light is not brought directly into contact or in interaction with the metal surface, but by the impact of the laser light on the layer of the absorption promoter 2, the laser light converted into heat, which affects the metal surface 1.
  • the absorption promoter is locally by absorption of the laser light in a plasma 3, also called plasma cloud, transferred, wherein the plasma 3 gives off the heat to the adjacent metal and there locally causes heating up to the tempering temperature.
  • the distance d between the absorption promoter and the metal surface serves to better propagate the plasma or the plasma cloud.
  • this distance is generated by a film or the like.
  • the distance is advantageous in the range of 25 - 100 microns.
  • the advantageous distance may vary with the beam source used and, for example, with its performance.
  • the distance is advantageously achieved by an intermediate layer 7.
  • the intermediate layer is applied together with the absorption promoter, wherein the intermediate layer can also be produced by spacers.
  • the laser pulse 4 with its high energy density per unit area on the metal surface does not generate too high temperatures and thus does not cause any local damage.
  • the resulting high temperature T LaS e r thus does not arise on the surface of the metal to be labeled or marked but on the surface of the absorption promoter 2.
  • the high temperature of the light-absorbing material of the absorption promoter is converted into a plasma. This is preferably done relatively locally, so that a targeted labeling can be performed.
  • the plasma is brought to a temperature T P asma or generated at this temperature.
  • the plasma temperature T P ⁇ aSm a below the temperature T ⁇ _ase r which would occur on impact of the laser radiation on the metal surface.
  • an oxidation process 6 takes place on the surface of the metal 5, which takes place in a very controlled manner, because the temperature of the plasma can be selected via the plasma-forming material of the absorption promoter. Due to the targeted oxidation on the surface of the metal, the color of the surface is thus selectively carried out.
  • FIG. 2 shows a diagram 50 in which a time duration is plotted on the x-axis.
  • Curve 51 represents a pulse of a laser, a laser pulse.
  • an absorption 52 of the laser pulse in the material an evaporation 53 of the surface material and an ionization 54 of the material take place.
  • These three processes advantageously take place within the duration of the laser pulse of, for example, about 10 ns.
  • the laser beam strikes directly on the metal surface and the majority of the incident radiation is absorbed by the metal surface. This leads to a strong heating of the surface, which causes effects such as evaporation, melting and heating of the material.
  • a high peak power which usually causes a heating far above the tempering temperature. Due to different modes (energy ranges) in the focus of, for example, a Nd: YAG laser, therefore, not only a resulting temperature can be generated over the area of the irradiation. There is therefore a strong unavoidable heating of the metal surface.
  • LTF laser transfer method
  • PLD pulse laser deposition
  • Target substrate controls the tempering temperature.
  • the absorption promoter enables rapid evaporation and the "gas" formed continues to absorb energy within the laser pulse, thus converting the gaseous state of the ions and atoms into a plasma Considering a laser pulse of 10 ns duration, see Figure 2, the absorption processes take place , Evaporation and ionization within this
  • Pulse length or pulse duration Pulse length or pulse duration. Thereafter, the plasma cloud spreads spatially, which in the
  • the pulse length it is rather slow.
  • the ions then recombine with electrons and re-form neutral particles, resulting in the formation of larger clusters, such as clusters, nanoparticles or the like.
  • thermally controlled heating of the target substrate occurs locally.
  • Any residues in the condensation of the plasma are advantageously not fixed on the metal and therefore can advantageously and substantially easily removed again become.
  • a thermal process control with an absorption promoter to the desired tempering temperature of the metal substrate is controlled and without damaging the metal surface.
  • FIG. 3 shows a block diagram 100 for explaining a method according to the invention for inscribing or marking a surface, such as preferably a metal surface.
  • An optionally previously cleaned surface of a metal is coated in block 101 with an absorption promoter.
  • a distance d between the absorption promoter and the surface can be achieved by a previously or simultaneously applied intermediate layer.
  • the coating is preferably carried out substantially only in areas in which a later inscription or marking is to be made.
  • the coating can also be made over a large area.
  • the coating can be applied as a paint job or as a sticky or adhesive film.
  • the coated surface is selectively heated by means of a laser pulse, so that at the locations where the laser pulse is applied, the metal surface is heated above the tempering temperature.
  • the surface may optionally be cleaned again, see block 103. This may involve the removal of residues and / or any remaining absorption promoters.
  • a high-energy beam such as a laser beam

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Abstract

Verfahren zur Beschriftung oder Markierung von Oberflächen (1 ), wie insbesondere von Metalloberflächen, wobei die zu beschriftende oder zu markierende Oberfläche (1 ) in einem ersten Schritt mit einem Absorptionspromoter (2) beschichtet wird und anschließend an zu beschriftenden oder zu färbenden Oberflächenelementen ein energiereicher Strahl (4), wie beispielsweise ein Laserstrahl, appliziert wird, welcher durch die Wechselwirkung mit dem Absorptionspromoter die Oberfläche (1 ) über eine Temperaturerhöhung verfärbt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Beschriften oder Markieren von Oberflächen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschriften oder Markieren von Oberflächen, insbesondere von Oberflächen von Metallen.
Bei Metallen sind verschiedene Beschriftungsverfahren bekannt. Beispielsweise kann eine Beschriftung mittels Materialauftrag, wie mit Farbe, oder auch mit einem Materialabtrag, wie bei einer Gravur, erfolgen.
Auch kann eine sogenannte Anlassbeschriftung oder auch eine Anlaufbeschriftung vorgenommen werden. Dies bedeutet, dass das Metall an seiner Oberfläche durch eine gezielte Temperaturveränderung seine Farbe bereichsweise verändert. Bei Metallen, die bis zu einer vorgebbaren Temperatur erhitzt werden, erhält die Oberfläche durch Oxidationsprozesse auf der Oberfläche eine farbige Erscheinung und somit eine farbige Färbung, Markierung oder Beschriftung. Dabei kann die Dicke der Oxidationsschicht beeinflusst werden, da die Diffusion der Sauerstoffatome abhängig ist von der Anlasstemperatur und/oder der Anlassdauer.
Beispielsweise zeigen unterschiedliche Oxidschichten an der Oberfläche eine irisierende bunte Färbung der Oberfläche. Dieser Farbeffekt wird bei Edelstahl nach dem Stand der Technik eingesetzt, da bei ca. 500 0C eine dunkel graue bis schwarze Anlassfarbe entsteht.
Um nun eine Beschriftung vorzunehmen, werden zur Erzeugung einer Anlassbeschriftung Laser eingesetzt. Dabei entsteht bei der Anwendung des Laserlichts auf der direkten Oberfläche des Metalls ein nachteiliger Oberflächeneffekt, weil das Laserlicht direkt auf der Oberfläche eingekoppelt wird und dadurch in der Wärmeeinflusszone Grate, Furchen, Schmelzvorgänge und metallurgische Gefügeveränderungen entstehen. Eine Oberflächenschicht wird dadurch aufgeraut und/oder in ihrem Gefüge verändert, so dass beispielsweise auch Materialschwächungen auftreten können. Dies kann insbesondere bei besonderen Anwendungsgebieten nachteilig sein, wie beispielsweise in der Medizintechnik oder auch in anderen Anwendungsgebieten, bei welchen besonders glatte oder reine beschriftete Oberflächen erwünscht sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Beschriftung oder Markierung von Oberflächen von Metallen zu schaffen, bei welchem die Nachteile des Standes der Technik gemindert oder vermieden werden und eine möglichst glatte beschriftete oder markierte Oberfläche erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird dies erreicht mit den Merkmalen von Anspruch 1. Danach wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zur Beschriftung oder Markierung von Oberflächen, wie insbesondere von Metalloberflächen, wobei die zu beschriftende oder zu markierende Oberfläche in einem ersten Schritt mit einem Absorptionspromoter beschichtet wird und anschließend an zu beschriftenden oder zu markierenden Oberflächenelementen ein energiereicher Strahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl, appliziert wird, welcher die Oberfläche über eine Verfärbung verursachende Temperatur erhöht.
Bevorzugt erfolgt vor dem Aufbringen des Absorptionspromoters eine Reinigung der Oberfläche.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, wenn nach dem Applizieren des energiereichen Strahls die Oberfläche von Rückständen und/oder nicht weiter benötigtem Absorptionspromoter gereinigt wird.
Es ist erfindungsgemäß besonders bevorzugt, wenn der Absorptionspromoter als Lack oder als aufklebbares oder haftendes Folienelement aufbringbar ist.
Weiterhin ist bevorzugt, dass zwischen dem Absorptionspromoter und der Oberfläche eine Zwischenschicht aufweist. Diese Zwischenschicht besitzt vorteilhaft eine Dicke d im Bereich von 25 bis 100 μm auf. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Absorptionspromoter im Wesentlichen nur auf später zu beschriftende oder zu markierende Oberflächenbereiche aufgebracht wird.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels kann der Absorptionspromoter auch großflächig aufgebracht werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer zu beschriftenden oder zu markierenden Oberfläche;
Fig. 2 ein Diagramm; und
Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Figur 1 zeigt schematisch eine Metalloberfläche, die beschriftete oder markiert werden soll. Dazu wird auf der Metalloberfläche eine Schicht 2 aufgebracht, wobei die Schicht aus einem sogenannten Absorptionspromoter besteht. Vorteilhaft weist die Schicht einen Abstand d zu der Metalloberfläche auf. Bei Einstrahlung von energiereicher Strahlung, wie Laserstrahlung 4, beispielsweise als Laserpuls, wird das die Strahlung bzw. das Laserlicht nicht direkt in Kontakt bzw. in Wechselwirkung mit der Metalloberfläche gebracht, sondern durch das Auftreffen des Laserlichts auf die Schicht des Absorptionspromoters 2 wird das Laserlicht in Wärme umgewandelt, welche sich auf die Metalloberfläche 1 auswirkt. Dabei wird der Absorptionspromoter durch Absorption des Laserlichts lokal in ein Plasma 3, auch Plasmawolke genannt, überführt, wobei das Plasma 3 die Wärme an das benachbarte Metall abgibt und dort lokal eine Erwärmung bis zur Anlasstemperatur bewirkt. Der Abstand d zwischen dem Absorptionspromoter und der Metalloberfläche dient der besseren Ausbreitung des Plasmas bzw. der Plasmawolke. Vorteilhaft wird dieser Abstand durch eine Folie o.a. erzeugt. Der Abstand ist vorteilhaft im Bereich von 25 - 100 μm. Der vorteilhafte Abstand kann jedoch mit der verwendeten Strahlquelle und beispielsweise mit deren Leistung variieren. Der Abstand wird vorteilhaft durch eine Zwischenschicht 7 erreicht. Vorteilhaft wird die Zwischenschicht zusammen mit dem Absorptionspromoter aufgebracht, wobei die Zwischenschicht auch durch Distanzhalter erzeugt werden kann .
Dabei wird vorteilhaft bewirkt, dass der Laserpuls 4 mit seiner hohen Energiedichte pro Flächeneinheit auf der Metalloberfläche keine zu hohen Temperaturen erzeugt und somit keine lokale Schädigungen verursacht. Die entstehende hohe Temperatur TLaSer entsteht somit nicht auf der Oberfläche des zu beschriftenden oder zu markierenden Metalls sondern an der Oberfläche des Absorptionspromoters 2. Durch die hohe Temperatur des Licht absorbierenden Materials wird der Absorptionspromoter in ein Plasma überführt. Dies erfolgt vorzugsweise relativ lokal, so dass eine gezielte Beschriftung durchgeführt werden kann. Das Plasma wird auf eine Temperatur TPιasma gebracht bzw. mit dieser Temperatur erzeugt. Vorteilhaft liegt die Plasmatemperatur TPιaSma unter der Temperatur Tι_aser, die beim Auftreffen der Laserstrahlung auf der Metalloberfläche entstehen würde. Weiterhin liegt die Plasmatemperatur vorteilhaft im Temperaturbereich der Anlasstemperatur, so dass gilt TPιasma = TAnιass oder TPιasma « TAnιass-
Dadurch ist gewährleistet, dass die Temperatur T|_aser von der Metalloberfläche fern gehalten wird, weil sie in der Regel größer ist als die Schmelztemperatur TSchmeiz des Metalls, die wiederum größer ist als die Anlasstemperatur TAnιass-
Durch die Ausbildung des Plasmas 3 findet auf der Oberfläche des Metalls 5 ein Oxidationsprozess 6 statt, der sehr kontrolliert stattfindet, weil die Temperatur des Plasmas über das Plasma ausbildende Material des Absorptionspromoters gewählt werden kann. Durch die gezielte Oxidation auf der Oberfläche des Metalls wird die Färbung der Oberfläche somit gezielt durchgeführt.
Figur 2 zeigt ein Diagramm 50, in welchem auf der x-Achse eine Zeitdauer aufgetragen ist. Die Kurve 51 stellt dabei einen Puls eines Lasers, einen Laserpuls, dar. Während der Pulsdauer findet eine Absorption 52 des Laserpulses im Material, eine Verdampfung 53 des Oberflächenmaterials und eine Ionisation 54 des Materials statt. Diese drei Vorgänge finden vorteilhaft innerhalb der Dauer des Laserpulses von beispielsweise etwa 10 ns statt. Bei der Laserdirektbeschriftung nach dem Stand der Technik trifft der Laserstrahl direkt auf die Metalloberfläche und der überwiegende Teil der einfallenden Strahlung wird dabei von der Metalloberfläche absorbiert. Dies führt zu einer starken Erwärmung der Oberfläche, wodurch Effekte wie Verdampfungen, Schmelzen und Erhitzen des Materials entstehen. Typischer Weise liegt im Fokus des Laserstrahls eine hohe Spitzenleistung vor, die im Regelfall ein Erhitzen bis weit über die Anlasstemperatur bewirkt. Aufgrund unterschiedlicher Moden (Energiebereiche) im Fokus beispielsweise eines Nd:YAG- Lasers, kann daher nicht nur eine resultierende Temperatur über die Fläche der Bestrahlung erzeugt werden. Es kommt daher zu einer starken unvermeidbaren Erwärmung der Metalloberfläche.
Die Materialverdampfung mittels eines Lasers ist bekannt und wird als LTF (Lasertransferverfahren) oder als PLD (Pulsed Lasers Deposition) bezeichnet. Bei beiden Verfahren kommt es zu einer Abscheidung des verdampften Materials auf dem Zielsubstrat. Es kommt zu einer chemisch-physikalischen Bindung des verdampften Materials.
Im Falle der erfindungsgemäßen Beschichtung der Metalloberfläche mit einem Absorptionspromoter wird vorteilhaft kein Material dauerhaft auf der Metalloberfläche abgeschieden, sondern das verdampfte Material erwärmt die Oberfläche des
Zielsubstrats kontrolliert auf die Anlasstemperatur. Der Absorptionspromoter ermöglicht die schnelle Verdampfung und das gebildete „Gas" absorbiert innerhalb des Laserpulses weiterhin Energie. Der gasförmige Zustand der Ionen und Atomen wird somit in ein Plasma überführt. Betrachtet man einen Laserpuls von 10 ns Zeitdauer, siehe Figur 2, erfolgen die Vorgänge Absorption, Verdampfung und Ionisation innerhalb dieser
Pulslänge bzw. Pulsdauer. Danach breitet sich die Plasmawolke räumlich aus, was im
Hinblick auf die Pulslänge jedoch eher langsam erfolgt. Die Ionen rekombinieren danach wieder mit Elektronen und bilden wieder neutrale Teilchen, wobei es auch zur Bildung von größeren Verbänden, wie beispielsweise Clustern, Nanopartikeln oder ähnlichem kommt. Bei der Rekombination und Partikelbildung kommt es lokal zu einer thermisch kontrollierten Erwärmung des Zielsubstrats.
Etwaige Rückstände bei der Kondensation des Plasmas sind auf dem Metall vorteilhaft nicht fixiert und können daher vorteilhaft und im Wesentlichen problemlos wieder entfernt werden. Eine thermische Prozessführung mit einem Absorptionspromoter auf die gewünschte Anlasstemperatur des Metallsubstrates erfolgt kontrolliert und ohne Schädigung der Metalloberfläche.
Die Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild 100 zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Beschriftung oder Markierung einer Oberfläche, wie vorzugsweise einer Metalloberfläche.
Eine gegebenenfalls zuvor gereinigte Oberfläche eines Metalls wird in Block 101 mit einem Absorptionspromoter beschichtet. Dabei kann ein Abstand d zwischen Absorptionspromoter und Oberfläche durch eine zuvor oder gleichzeitig aufgetragene Zwischenschicht erreicht werden. Die Beschichtung erfolgt bevorzugt im Wesentlichen nur in Bereichen, in welchen eine spätere Beschriftung oder Markierung vorgenommen werden soll. Andererseits kann die Beschichtung auch großflächig erfolgen. Dabei kann die Beschichtung als Lackauftrag oder als aufklebbare oder haftende Folie aufbringbar sein. In Block 102 wird die beschichtete Oberfläche mittels eines Laserpulses gezielt erwärmt, so dass an den Stellen, an welchen der Laserpuls appliziert wird, die Metalloberfläche über die Anlasstemperatur erwärmt wird.
Nach dem laserinduzierten Erwärmen und Verfärben der Oberfläche kann die Oberfläche fakultativ wieder gereinigt werden, siehe Block 103. Dies kann die Entfernung von Rückständen und/oder noch vorhandenen Absorptionspromoter bedingen.
Bezugszeichenliste
1 Oberfläche, Metalloberfläche
2 Schicht, Absorptionspromoter
3 Plasma
4 Laserstrahl, energiereicher Strahl
5 Metall
6 Oxidationsprozess
7 Zwischenschicht
50 Diagramm
51 Kurve
52 Absorption
53 Verdampfung
54 Ionisation
100 Blockschaltbild
101 Block zur Beschichtung
102 Block zur Applikation eines energiereichen Strahls, wie Laserstrahls
103 Block der Reinigung der Oberfläche

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Beschriftung oder Markierung von Oberflächen (1 ), wie insbesondere von Metalloberflächen, wobei die zu beschriftende oder zu markierende Oberfläche (1 ) in einem ersten Schritt mit einem Absorptionspromoter (2) beschichtet wird und anschließend an zu beschriftenden oder zu färbenden Oberflächenelementen ein energiereicher Strahl (4), wie beispielsweise ein Laserstrahl, appliziert wird, welcher durch die Wechselwirkung mit dem Absorptionspromoter die Oberfläche (1 ) über eine Temperaturerhöhung verfärbt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Applizieren des energiereichen Strahls (4) die Oberfläche (1 ) von Rückständen und/oder nicht weiter benötigtem Absorptionspromoter gereinigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionspromoter (2) als Lack oder als aufklebbares oder haftendes Folienelement aufbringbar ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Absorptionspromoter und der Oberfläche eine Zwischenschicht (7) aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (7) eine Dicke d im Bereich von 25 bis 100 μm aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionspromoter (2) im Wesentlichen nur auf später zu beschriftende oder färbende Oberflächenbereiche aufgebracht wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionspromoter (2) großflächig aufgebracht wird.
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