DE3738330C2

DE3738330C2 -

Info

Publication number: DE3738330C2
Application number: DE3738330A
Authority: DE
Inventors: Kenkoku Azuma; Masaaki Nagoya Aichi Jp Sakaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1986-11-14
Filing date: 1987-11-11
Publication date: 1992-07-02
Also published as: DE3738330A1; KR880006809A; GB2201377A; GB2201377B; GB8725637D0; KR910000826B1; US4861620A

Description

Die Erfindung betrifft ein Lasermarkierungsverfahren für die Oberfläche eines Gegenstandes.

Eine Art von Lasermarkierungsverfahren für die Oberfläche eines Gegenstandes ist aus JP-A-54-56 576 bekannt. Dabei wird unmittelbar die Oberfläche eines Gegenstandes, der aus unterschiedlichen Materialien bestehen kann, mit Hilfe eines Laserstrahls so weit erhitzt, daß das Material des Gegenstandes an dessen Oberfläche die Farbe ändert. Der Farbumschlag wird bewirkt durch die hohe eingestrahlte Laserenergie und die damit einhergehende sehr starke örtliche Temperaturerhöhung. Jedoch ist der Farbumschlag praktisch nicht beeinflußbar, sondern durch das Material des zu markierenden Gegenstandes vorgegeben. Zumeist erfolgt der Umschlag in der Form, daß die Oberfläche des Gegenstandes eine schwarze Färbung annimmt.

Um Markierungen mit verschiedener Färbung herstellen zu können, wird in DE 33 11 882 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumschildes vorgeschlagen, bei dem in die Eloxalschicht auf der Oberfläche des Aluminiumschildes Stoffe eingebracht werden, die sich kontrastierend zur Umgebung verändern, wenn ein Laserstrahl mit hoher Energie eingestrahlt wird. Als einlagerbare Stoffe werden unter anderem Zink, Kobald und Bleiverbindungen genannt. Beschränkt ist die Anwendbarkeit dieses Verfahrens auf Stoffe, deren Farbumschlag derart erfolgt, daß eine sich gegenüber der hellen Eloxalschicht absetzende Verfärbung eintritt. Ferner weist dieses Verfahren, ebenso wie das zuvor geschilderte Verfahren, den Nachteil auf, daß ein Laserstrahl hoher Energie eingestrahlt werden muß, um die Verfärbung zu erzeugen. Empfindliche Gegenstände können daher mit diesem Verfahren in der Regel nicht mit einer Markierung versehen werden.

Aus GB-A-20 81 467 ist ein Gegenstand aus einem hitzeempfindlichen Material bekannt, bei dem mit Hilfe einer vergleichsweise geringen Temperaturerhöhung ein Farbumschlag erreicht werden kann. Bei dem beschriebenen Gegenstand werden thermochrome Verbindungen entweder auf die Oberfläche des Gegenstandes aufgebracht oder in dessen Material verteilt. Bei bestimmten Temperaturen findet dann ein Farbumschlag statt, der zur Aufbringung der Markierung genutzt wird. Als thermochrome Verbindungen werden unter anderem Kobalt, Kupfer, Vanadium und Eisenverbindungen genannt. Sowohl die Temperatur des Farbumschlags als auch die erzielbaren Farben sind auf bestimmte Wertebereiche bzw. Farbpaare beschränkt.

Aus DE-OS 23 61 628 sind weitere Verbindungen bekannt, die mit Hilfe per Einstrahlung eines Laserstrahls ihre Farbe ändern. Jedoch sind die dazu erforderlichen Laserenergien größer und es müssen größere Temperaturen erzielt werden, um einen Farbumschlag zu bewirken.

Bei den bisher bekannten Verfahren ist die Anwendbarkeit nur gegeben, wenn der mögliche Farbumschlag erreicht wird bei einer Temperatur, die eine Beschädigung des Gegenstandes ausschließt. Die bisherigen Verfahren sind daher beschränkt auf Gegenstände mit entsprechender Temperaturbeständigkeit und ferner auf die dabei erzielbaren Farbumschläge.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Lasermarkierungsverfahren anzugeben, mit dem Gegenstände, deren Temperaturempfindlichkeit den Einsatz der bisher bekannten Verfahren verhindert, ebenfalls mittels eines derartigen Verfahrens bearbeitet werden können und eine gut sichtbare Markierung erzielt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Lasermarkierungsverfahren gemäß dem Patentanspruch.

Vorteilhaft bietet die Erfindung eine Lösung für die Fälle, bei denen der Einsatz eines Lasermarkierungsverfahrens wünschenswert ist, in denen aber ein Lasermarkierungsverfahren herkömmlicher Prägung nicht eingesetzt werden konnte auf Grund der Temperaturempfindlichkeit des zu markierenden Gegenstandes bzw. auf der mangelnden Erkennbarkeit des erzielbaren Farbumschlags. Nicht zuletzt durch die erfindungsgemäß erzielbaren verschiedenen Farben ist die Erkennbarkeit der Markierung aber gegenüber dem Stand der Technik erhöht.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen genau beschrieben, in denen zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens,

Fig. 2 den Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens, und

Fig. 4 eine weitere Vorrichtung zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens.

In Fig. 1 ist beispielhaft eine perspektivische Darstellung einer TEACO2-Lasermarkierungsvorrichtung, die sich für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet. Fig. 2 zeigt den Betrieb der in Fig. 1 dargestellten Lasermarkierungsvorrichtung, die mit einer Maske arbeitet, wobei das Bezugszeichen (1) einen Laseroszillator zur Aussendung eines Markierungslaserstrahls (2) darstellt. Der Laserstrahl (2) wird auf einen reflektierenden Spiegel (3) geleitet, von welchem er auf eine Kondensorlinse (4) gerichtet wird. Die von der Kondensorlinse (4) gesammelten Strahlen treten durch eine Maske (5) hindurch, die ein Markierungsmuster (5a) auf einer Oberfläche auf einem Produkt (6) bildet, auf welchem das Markierungsmuster (5a) bei dieser Darstellung ein Buchstabe (A) gebildet wird.

Ein Verschluß (1a) ist in der Laserbahn zwischen dem Laseroszillator und dem reflektierenden Spiegel (3) vorgesehen und die Maske (5) wird von einem Maskenhalter (7) aufgenommen. Die Kondensorlinse (4) ist in einem Kondensorabschnitt (8) untergebracht. Das zu markierende Produkt (6) ist in dieser Figur als Elektromagnetschalter dargestellt und ein Abschnitt desselben, auf dem die Markierung angebracht werden soll, ist mit dem Bezugszeichen (9) bezeichnet.

Es wird nunmehr der Betrieb an Hand von Fig. 2 näher beschrieben. Der Markierungsabschnitt (9) bezüglich der Quelle des Produktes (6) wird einleitend mit einer Schicht aus einer Kombination von mehreren Pigmenten aus der Gruppe Hg-Verbindungen und Kalium-Kobalt-Nitrid überzogen, deren Ausgangsfarben sich infolge einer internen Struktur bei einer vorgegebenen oder über diese hinausgehenden Temperatur ändern. Der Überzug kann durch Anstreichen des Abschnittes mit Pigment erzielt werden.

Anschließend wird die Lagebeziehung zwischen dem Laseroszillator (1), dem reflektierenden Spiegel (3), der Maskenplatte (5), der Kondensatorlinse (4) und dem Produkt (6) derart reguliert, daß die Oberfläche des Produktes (6) auf der Seite der Kondensorlinse (4) der Maskenplatte (5) zugewandt ist. Anschließend wird der Markierungsabschnitt (9) des Produktes (6) mit dem Laserstrahl (2) des Laseroszillators (1) durch die das Markierungsmuster (5a) aufweisende Maskenplatte (5) und die Kondensorlinse (4) bestrahlt. Durch diese Bestrahlung wird das Pigment in dem vom Laserstrahl beaufschlagten Abschnitt unmittelbar auf die vorgegebene oder eine höhere Temperatur erhitzt und ändert seine innere Struktur und somit seine Farbe, wodurch eine Markierung erhalten wird, die gegenüber ihrer Hintergrundfarbe eine unterschiedliche Farbe aufweist.

Hinsichtlich einer irreversiblen oder semi-irreversiblen Änderung der inneren Struktur und somit der Farbe des Pigmentes als Folge der durch die Laserbestrahlung erhöhten Temperatur sind zwei Pigmentarten verfügbar, nämlich ein Pigment, dessen Moleküle, beispielsweise H₂O und CO₂, aus dem Pigment durch Erhitzen auf die vorgegebene oder höhere Temperatur abgegeben werden, so daß es thermisch zersetzt wird und seine molekulare Struktur permanent ändert, um dadurch eine gegenüber seiner Ausgangsfarbe verschiedene Farbe zu erhalten, während beim anderen Pigment, dessen kristalliner Aufbau und somit seine Farbe beispielsweise durch einen Glasübergang als Folge der erhöhten Temperatur geändert wird.

Eine Einteilung der verwendeten Pigmente ist in der Tabelle 1 angegeben und die Temperaturen, bei welchen sich die Pigmente der Tabelle 1 in ihrer Farbe ändern und die Farbänderungen sind in der Tabelle 2 aufgeführt. In der Tabelle 2 sind auch weitere, nicht typische Temperaturen und Farbänderungen ergänzend angegeben. Es wird darauf hingewiesen, daß die Pigmente der Nr. 6 Farbänderungen als Folge einer thermischen Zersetzung darstellen.

Ausführungsformen Nr.
Einteilung der Pigmente
1
anorganische Hg-Verbindung
2 @	3 @	4 @	5 @	6	Kaliumkobalt(III)nitrid

Tabelle 2

Wie vorausgehend aufgeführt wurde, verwendet das erfindungsgemäße Lasermarkierungsverfahren die Änderung in der inneren Struktur der Pigmente infolge einer Temperaturerhöhung desselben, auf Grund der Bestrahlung mit dem Laserstrahl. Daher bestehen keine Schwierigkeiten bezüglich Staub und/oder Rauch, die für das zu markierende Produkt unerwünscht sind und die Markierung selbst erfolgt ohne ein Gravieren auf der Produktoberfläche. Der Kontrast der Markierung gegenüber dem Hintergrund kann sehr hoch gemacht werden.

Erfindungsgemäß ist es möglich, die Temperatur, bei welcher die Farbänderung auftritt, auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert, beispielsweise 70°C, zu begrenzen und daher kann die vorliegende Markierung selbst bei einem Produkt durchgeführt werden, das thermisch instabil ist. Ferner kann, wie vorausgehend aufgeführt wurde, die erfindungsgemäß verwendete Laserleistung erheblich reduziert werden, verglichen mit dem üblichen Verfahren, das eine örtliche Verdampfung oder ein Brennen des Werkstoffs vorsieht, aus dem das Produkt besteht.

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung einer Lasermarkierungsvorrichtung einer mit Laserpunktauffall arbeitenden Markierungsart, die aus einer Kombination eines Impulslasers und eines polygonalen Spiegels besteht, und Fig. 4 zeigt eine Abänderung der Vorrichtung nach Fig. 3, bei welcher der polygonale Spiegel durch ein Paar Abtastspiegel (3a) ersetzt ist, die in Richtung (A) verschwenkbar sind, und ein Abtastspiegel (B) ist in Richtung (B) verschwenkbar und die Spiegel werden durch Steuersignale (21) aus einer Steuervorrichtung (20) programmgesteuert.

Gemäß Fig. 3 wird der polygonale Spiegel (3c) gedreht, während das zu markierende Produkt (6) in einer zur Richtung (C) senkrecht verlaufenden Richtung abgetastet wird.

Mit den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Vorrichtungen kann das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls wirkungsvoll ausgeführt werden. Während der TEACO₂-Laser hier als Laserstrahlquelle beschrieben wird, können andere Laser, beispielsweise ein Nd : YAG-Laser, ebenfalls mit gleicher Wirkung verwendet werden.

Wie vorausgehend aufgeführt wurde, ist es erfindungsgemäß möglich, eine einfarbige oder mehrfarbige Markierung durch geeignete Wahl eines Pigmentes und einer Laserenergiedichte zu liefern.

Claims

Lasermarkierungsverfahren für die Oberfläche eines Gegenstandes mit folgenden Schritten:
- - Beschichten der Oberfläche mit einer Kombination von mehreren Pigmenten aus der Gruppe Hg-Verbindungen und Kalium-Kobalt-Nitrid, deren Ausgangsfarben ab bestimmten vorgegebenen Temperaturen in jeweils verschiedene andere Farben verändert werden, und
- - Bestrahlen von Abschnitten der Beschichtung mit einer Mischung einer entsprechenden Anzahl von Laserstrahlen mit unterschiedlichen Energiedichten, die jeweils erforderlich sind, um die Oberfläche des Gegenstands auf die bestimmten Temperaturen zu erhitzen, so daß die bestrahlten Abschnitte mit verschiedenen Farben markiert werden.