DE69816107T2

DE69816107T2 - Laserbeschriftungsverfahren

Info

Publication number: DE69816107T2
Application number: DE69816107T
Authority: DE
Inventors: W. Paul HARRISON
Original assignee: Thermark LLC
Current assignee: Thermark LLC
Priority date: 1997-09-08
Filing date: 1998-09-08
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2018-09-09
Also published as: EP1023184A1; BR9815634B1; JP2001518410A; PT1023184E; WO1999016625A1; US6313436B1; ATE244150T1; CA2303233A1; US6855910B2; CA2303233C; AU741717B2; EP1023184B1; US6075223A; DE69816107D1; BR9815634A; US20020079297A1; AU9309398A; DK1023184T3; KR20010023786A; ES2202894T3

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren um dauerhafte, hervorgehobene Kontraste und/oder Farbmarkierungen zu erzeugen, die eine neue Beschriftungs-schicht auf einem Substrat bilden, welches Glas, Keramik, Porzellan, Metall und Plastik umfasst. Ein Laserstrahl bestrahlt ein Beschriftungsmaterial, welches Glaspulver mit einem Energie absorbierenden Verstärker enthält, oder alternativ kann das Beschriftungsmaterial auch ein Metalloxydgemisch oder ein organisches Pigmentgemisch sein.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Beschriftung von keramischen Materialien, Überzügen und Gläsern kann durch konventionelles Beschriften und Dekorverfahren wie Kratzen, Schneiden, Gravieren, Schleifen oder durch die Anwendung einer Glas-oder Glasurfärbung erreicht werden. Bei diesen Verfahren wird die Oberfläche des beschrifteten Materials geändert mit der Folge, daß das Material Schaden erleiden kann, besonders wenn die Beschriftung durch Ätzen, Gravieren oder Schneiden erzeugt wird. Die Anwendung von Glas- oder Glasurfarben erfordert einen zusätzlichen Brennschritt. Die so erreichten Beschriftungen befriedigen nicht in jeder Hinsicht.
Es ist ebenfalls bekannt, Glas mittels eines Laserstrahles zu Beschriften, wobei die bekannten Verfahren auf Schmelzen oder Abtragen des Substratmaterials beruhen, sodaß die Oberfläche des beschrifteten Materials auch geändert wird.
Die deutsche Offenlegungsschrift 3539047 schlägt ein Verfahren zum Dekorieren, Beschriften und Gravieren von überzogenen Objekten mit Laserstrahlen vor, wobei in den Überzugsmantel opaliszierende Stoffe eingegeben sind, die den Laserstrahl optisch und lokal zerlegen, z. B. Oxyde von Titan, Zinn, Caesium und Antimon. Ein Nachteil dieser Methode ist z. B., daß durchsichtige Überzüge von Materialien nicht beschriftet werden können, da der opaliszierende Stoff im Überzug sich an den an den nicht bestrahlten Gebieten nicht ändert und daher das Gesamtaussehen des Objektes stark beeinflusst wird. Darüberhinaus kann der opaliszierende Stoff die mechanischen Eigenschaften des Überzuges ungünstig beeinträchtigen.
Die Industrie sucht nach einer Oberflächenbeschriftung für Glas, Porzellan, Plastik und Ähnlichem mit vier physikalischen Eigenschaften. Diese vier Eigenschaften sind: hohe Auflösung, hoher Kontrast, Dauerhaftigkeit und Geschwindigkeit.
Bekannte Bemühungen konnten bis jetzt nur zwei oder drei dieser Eigenschaften erzielen. Z. B. ergibt die Markierung von Keramik im Brennofen unter Verwendung von Material aus Glaspulver bei einer Ofentemperatur von 100° bis 1000°C hohe Auflösung, hohen Kontrast und dauerhafte Markierungen auf Keramik, Glas und Metallen. Diese bekannten Verfahren erfordern das Erhitzen des gesamten Substrates zusammen mit dem Markierungsmaterial aus Glaspulvergemisch oder Metalloxyd im Ofen. Das Problem bei diesen Verfahren ist der Zeitfaktor und der Energieverbrauch, die zur Erzeugung der Markierungen wirtschaftlich nicht befriedigen. Zeitfaktoren zwischen Minuten bis zu Stunden sind üblich. Der Energieverbrauch eines Ofens wird im allgemeinen in Kilowatt pro Tonne und/oder in BTU pro Pfund gemessen. Weiterhin eignen sich diese Verfahrens- Prozesse nicht zur Portabiltät.
Ein anderes bekanntes Verfahren ist das Hämmern auf Metall. Dieses Verfahren kann bei Glas, Keramik oder anderen zerbrechlichen Materialien wegen Schäden an der Oberfläche und/oder Bruch nicht verwendet werden. Bei Benutzung erzeugt dieses Verfahren eine hochauflösende, dauerhafte und schnelle Oberflächenbeschriftung. Jedoch werden keine hohen Kontrastbeschriftungen erzeugt.
Das US-Patent Nr. 5637244 (1977) für Brokhin beschreibt die Verwendung enes Nd:YAG Lasers niedriger Energie mit einer Strahlleistung im Bereich von 5 bis 15 mJ und mit einer Pulsdauer von 15 ns. Durch Fokussierung des Laserstrahles wurde mit einen Brennfleck von 0.1 bis 0.4 mm eine Abtragung von Glas für Beschriftungszwecke erreicht. Es wurde ein abgetragenes 3D-Bild erzeugt. Plastiksubstrate erfordern um eine Grössenordnung weniger Leistung. Chemische Prozesse werden nicht angesprochen.
Das US-Patent Nr. 5609778 (1977) von Pulaski et al. beschreibt ein Beschriftungsverfahren für Glas und andere Substrate durch Abtragen einer Vielzahl von Mikro-Reflektoren auf dem Glas. Die Verwendung eines Lasers mit 190 mJ bei 300 Hz und 250 Pulsen gräbt einen parabolischen Mikroreflektor mit einer mittleren Tiefe von 1–100 μm(Mikrons). Die Verwendung einer dielektrischen Maske und einer Wobbelplatte wird gelehrt. Chemische Prozesse werden nicht erwähnt. Es gibt daher keine Basis für § 103.
Das US-Patent 5523125(1996) für Kennedy et al. beschreibt eine laserbasierte Druckmethode mit Masken zum Beschriften von Basketbällen usw. mit Warenzeichen. Der Laser wird zum Eingraben der Markierung in eine Maske benutzt, bevor über die Maske gedruckt wird. Es handelt sich hier nur um eine Druckmethode.
Das US-Patent 5061341 (1991) und Kildal und andere beschreibt eine Druckmethode um Schäden an einem pigmentierten Plastikartikel zu verhindern, wenn Tinte auf dem Artikel von einem Laserstrahl abgetragen wird. Veschiedene Überzüge von Bindern und Lösungen werden benutzt. Es handelt sich hier nur um eine Druckmethode.
Das US-Patent 4912298(1990) für Daniels et al. beschreibt einen Abtragungsprozeß zur Markierung optischer Linsen. Es wird ein Excimerlaser benutzt mit einer Strahlenergie zwischen 1–5 J/qmm. Die Markierung ist besser erkennbar, wenn die Linsen einen antireflektierenden Überzug haben infolge einer Störung der Interferenzbedingungen des reflektierten Lichtes. Chemische Prozesse werden nicht gelehrt.
Das US-Patent Nr. 4515867/1985) für Bleacher et al. beschreibt eine 3-Schrittmethode um ein Glassubstrat wie z. B. eine Kathodenstrahlröhre zu Beschriften. Zunächst wird eine dunkle Unterschicht aufgebracht, und unter einer Minute getrocknet. Als nächstes wird ein hell gefärbter Überzug unter einer Minute verwendet. Der Laserstrahl trägt dann die Markierung vom hell gefärbten Überzug ab und lässt dadurch die Markierung sichtbar werden, da der dunkle Untergrund durchscheint. Der Untergrund enthält Mikapartikel, der Überzug dagegen nicht. Die Überzüge sind aus alkalischen Silikatbindern gemacht. Es handelt sich hier nur um eine Druckmethode.
Das US-Patent Nr. 4327283 (1982) für Heymann et al. beschreibt eine Methode, um Glas nach einer 3-Schrittmethode ähnlich dem US-Patent 4515867 zu markieren. Die Überzugsschicht wird entweder durch Abrasion oder Laserabtragung entfernt. Es handelt sich nur um eine Druckmethode.
Andere bekannte Beschriftungsverfahren sind Tintendruckverfahren. Eine Transferdruckmethode ist in WO 95/13195 beschrieben. Diese Verfahren benutzen eine durch Laser transferierbare Tinte auf einem Plastikträger. Die Tinte wird in eine Transferlösung eingemischt um die Umwandlung von Laserenergie in Hitze zu verstärken. Diese Verfahren erzeugen eine hohe Auflösung, hohen Kontrast und arbeiten relativ schnell. Es gibt jedoch einen zeitaufwendigen UV-Behandlungsschritt zum Heilen. Das Problem mit diesem und allen Tintenverfahren ist der Mangel an Beständigkeit. Säuren und andere Lösungsmittel entfernen die Tinte von einer harten Oberfläche. Das bekannte Verfahren lehrt die Behandlung der Tinte auf der Substratoberfläche. Die vorliegende Erfindung betrifft das feste Verbinden eines Markierungsmediums um eine neue Markierungsschicht auf der Substratoberfläche zu bilden, anstatt eine Tinte zum Substrat zu bringen und dort zu heilen.
Ein weiteres bekanntes Verfahren verwendet Tintenstrahldrucker. Um die Wirkung, das Aussehen und die Beständigkeit zu erhöhen, werden umweltgefährdende Flüssigkeiten mit der Tinte gemischt. Sogar mit diesen gefährlichen Flüssigkeiten wurden keine bedeutenden Verbesserungen erzielt.
Das US-Patent 4541340 beschreibt einen Druckprozeß zur dauerhaften Beschriftung von Plastik. Sublimierbare Farben, wie Nitrofarben werden verwendet. Eine Diffusion des Farbstoffes in das Substrat wird durch Druckluft auf ein Transferlabel erreicht. Es ist nur eine Anwendung bei Stoffen und Plastik gezeigt. Der chemische Ablauf unterscheidet sich von der vorliegenden Erfindung. Es wird jedoch als Ergebnis eine dauerhafte kontraststarke Markierung beansprucht.
Eine andere verwandte Markierung beruht auf Laser in Verbindung mit Glasfritt oder Metalloxiden. Das US-Patent 4769310 zeigt zunächst die Erzeugung einer Glasur im Ofen. Die Glasur hat einen strahlenempfindlichen Zusatz im Bereich von 0.1–30 Gewichtsprozent. Die Glasur wird dann mit dem Strahl eines Nd:YAG Pulslasers bestrahlt, mit Lichtpulsen von 6–8 Nanosekunden bei einer Wellenlänge von 0.532 μm und einem Pulsinhalt von 250 Millijoules. Das Problem dieses Verfahrens ist die zeitaufwendige Herstellung der Glaswoberfläche vor Anwendung des Laserstrahles.
Das US-Patent 5030551 zeigt ein laserbasiertes Verfahren zum Beschriften von Keramik Glasuren, Glaskeramik und Gläsern, bei dem zunächst auf das Werkstück ein 10–1000 nm dicker tranparenter Überzug von Titaniumoxid aufgebracht wird. Dann wird das Werkstück in einem Ofen bei 620°C eine Minute erhitzt und anschließend im geschlossenen Ofen abgekühlt. Dann wird die Schicht mit einem gepulsten Laser entsprechend der gewünschten Markierung bestrahlt. Das Laserlicht muß eine Wellenlänge haben, die ausreichend von der Oxidschicht absorbiert wird, sodaß eine Entfärbung an den bestrahlten Stellen auftritt. Das Problem ist die zeitaufwendige Erwärmung und Abkühlung des Werkstückes.
Das Verfahren ermöglicht ein direktes und schnelles Markieren, welches nicht zerstörbar und damit abwisch-und kratzfest ist. Die Markierungen sind korrosions-beständig, löungsmittelfest, stabil, ohne Deformation, beständig gegen Licht Hitze und Wetter und zeigen gute Kontraste mit scharfen Kanten. Zusätzlich wird das Material in seinen mechanischen physikalischen und chemischen Eigenschaften nicht verändert. Das Problem bleibt jedoch die zeitaufwendige Erhitzung und Abkühlung des Werkstückes.
Ein Papier vom 11. November, 1995 in Glastech. Ben Glass Sci Techno. 69 (1996) No. 1 trägt den Titel" Erhitzen von PbO freien Glasüberzügen mit einem CW-CO₂-Laser."
Es wurden Experimente versucht, den Bleianteil beim Erhitzen Von Glasüberzügen zu reduzieren. Die Überzüge werden mit einem Hochleistungs-cw-CO₂-Laser erhitzt, wobei Temperaturen von über 1000°C erreicht werden. Das Glassubstrat muß jedoch vorgeheizt werden.
Das US-Patent 5543269 zeigt eine keramische Oberfläche mit einem Bild, das auf dem Farbunterschied zwischen Zirkonium und einem Zusatz beruht. Die gefärbte Stelle wird mit einem Laserstrahl behandelt um das mit dem Zusatz versehene Zirkonoxid zu verringern und damit ein Bild zu erzeugen. Dieses Verfahren ist ein hochspezialisierter Chemie-Laserprozeß, der auf die Verwendung von Sonderkeramik beschränkt ist. Es wird keine Beschriftung von Glas, Metall und Plastik gezeigt.
Das US-Patent 4854957 zeigt ein Verfahren zur Herstellung von photochromatischen Glasartikeln unter Verwendung von Silberhalogen und einem Laser. Es ist ein spezielles Substrat erforderlich. Eine 16-stündiger Vorbereitungsschritt wird zur Herstellung des Substrates benötigt.
Das US-Patent 5397686 zeigt ein Chemo-Laserbeschriftungsverfahren für Substrate. Eine Pottasche- und Ammoniumcitratmischung wird zeitweise auf dem Substrat als getrocknetes Diffraktionsmuster aufgebracht. Es wird dann mit Wasser oder Alkohol entfernt. Das Verfahren ist chemisch verschieden und erzeugt keine dauerhafte Markierung.
Das US-Patent 5075195 zeigt die Verwendung eines speziellen Plastiksubstrates mit einem Molybdän-Disulfid Zusatz. Das Substrat wird mit einem Laserstrahl behandelt um die Lichtreflexion zu verändern und damit eine Markierung zu erzeugen.
EP-A-0782933 zeigt ein Lasermarkierungsverfahren, bei dem ein Substrat beschichtet wird mit einem „laserstrahlabsorbierenden weißlichen inorganischen Misch-pulver" wie Aluminium-Hydroxid, Mika oder Talk zusammen mit einem Binder. Bei Laserbestrahlung, bsw. mit niedriger Leistung, ändert der Überzug seine Farbe von transparent zu weiß und erzeugt eine Markierung.
EP-A-0419377 zeigt ein Lasermarkierungsverfahren, bei dem ein auf Laserlicht reagierender Überzug mit Pigmenten bei Bestrahlung eine chemische farbändernde Reaktion, eine Verdampfung oder eine physikalische Reaktion erfährt und damit eine Kontrastmarkierung bildet. Die Pigmente sind in einem ausreichenden Umfang enthalten, um den Laserstrahl zu absorbieren und zu reflektieren. Im vorliegenden Beispiel ist der Überzug ein Isocyanate gehärtetes Polyurethan mit 40–60% Pigmenten(Oxide von Titan und Eisen), welcher eine schwarze Markierung auf grauen Hintergrund in der Tiefe ergibt. Dies kommt von der Binderzerstörung im Überzug, die durch Absorption und Reflexion des Laserstrahles an den Pigmenten hervorgerufen wird.
EP-A-0531584 zeigt eine Laserbeschriftungsmethode auf einem transparenten Glas-oder Plastiksubstrat, bei dem eine Schicht, die zumindest zwei Arten von Übergangsmetall-Ionen enthält, mit Laser bestrahlt und entfernt wird. Der Laserstrahl wird von der Schicht absorbiert und durch chemischphysikalische Prozesse. die während der Bestrahlung in der Schicht entstehen, ein heißes Plasma in der Schicht hervorgerufen, welches auf das Substrat einwirkt. Auf diese Weise erzeugt die Laserabsorption in der Schicht eine indirekte Interaktion zwischem dem Laserstrahl und dem Substrat und damit eine Markierung, vermutlich durch Diffusion von Ionen in das Substrat. Die Schicht wird dann entfernt.
GB-A-2227570 betrifft die Laserbeschriftung von Plastiksubstraten, bei dem das Substrat mit einem löslichen Lackfilm überzogen wird, der zumindest eine färbende Komponente enthält, wie inorganische oder organische Pigmente oder polymerlösliche Tinten und bei der Bestrahlung der Film und das anschließende Substrat weich werden, sodaß die färbende Komponente in die Oberfläche des Substrates eindringt.
US-A-4856670 beschreibt eine Transfer-Drucktinte zur Markierung auf einer empfindlichen Werkstückoberfläche, wie z. B. einer Glaskathodenstrahlröhre. Die Tintenmischung enthält eine flüssige Resinkomponente mit flüssigen Acrylatmonomeren, polyfunktionalen Acrylatmonomeren, Bindern und Photoiniatoren und eine feste Komponente, die Pigmente und eine spezielle Glasfrittmischung umfasst. Barcodemarkierungen können durch Tintentransferdruck und anschließende heilende UV-Bestrahlung erreicht werden. Die Pigmente und das Frittflußmittel werden dann auf das Substrat durch thermische Behandlung zwischen 420–460°C aufgeschmolzen.
Die US-A-4306012 betrifft ein Siebdruckverfahren mit einem strahlbehandelbaren Glasfritt enthaltenden Druckmedium. Die Mischung wird auf ein Glas, Metall oder keramisches Substrat durch UV-Bestrahlung oder gezielte Bestrahlung aufgebracht und dann bei 500–900°C gebrannt, um das Glasfritt auf das Substrat zu schmelzen.
Die deutsche Anmeldung DD-A-215776 zeigt ein Beschriftungsverfahren, bei dem ein Überzug mit einem diffundierenden Farbmittel auf das Glassubstrat aufgebracht wird. Dieser wird mit einem Laser bestrahlt, um die Glasoberfläche in der Form der gewünschten Markierung zu erwärmen, sodaß das diffundierende Farbmittel in die Glasoberfläche diffundiert.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine direkte und schnelle Markierung, die unzerstörbar und damit abrieb-und kratzfest ist. Die erzeugten Markierungen sind auch konosionsbeständig, lösungsbeständig, räumlich stabil, frei von Deformationen, stabil bei Licht, Hitze und Wetter, leicht lesbar mit guten Kontrast und hervonagender Kantenfestlegung. Zusätzlich gibt es keine Verschlechterungen der mechanischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften des markierten Materials, d. h. der mechanischen Stärke und der chemischen Widerstandsfähigkeit.
Es wurde ein vielseitiges Verfahren gefunden, das es möglich macht, Metall, Plastik, keramische Materialien, Glasuren, Glaskeramik und Gläser zu beschriften, ohne die Oberfläche zu beschädigen und ohne spezielle Erfordernisse an das Substrat, wobei dieses Verfahren die Verwendung von Glasfrittbasierten oder gemischten organischen Materialien oder Mischmetalloxidschichten für die Beschriftung umfasst.
Die Erfindung bezieht sich dementsprechend auf ein Laserbeschriftungsverfahren für Metall, Plastik, keramische Materialien, Glasuren, Glaskeramik und Gläsern jeder beliebigen Form, bei dem auf das Substratmaterial ein Beschriftungsmaterial aufgebracht wird, das einen Energie absorbierenden Verstärker(enhancer)enthält, mitanschließender Bestrahlung der Markierungsschicht mit laser -oder diodenbasierter Energie in der Weise, daß die Strahlung auf die Schicht in Übereinstimmung mit der gewünschten Markierung einwirkt, unter Verwendung einer Energie mit einer Wellenlänge, die ausreichend durch das Beschriftungsmaterial absorbiert wird, sodaß ein Verbinden zum Substrat geschieht, wodurch eine markierte Schicht auf dem Substrat entsteht.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:
Der hauptsächliche Zweck der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zu schaffen, mit dem schnell, hochauflösend, kontrastreich und dauerhaft die Oberfläche eines Werkstückes markiert werden kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin ein Verfahren vorzusehen, bei dem das bestrahlte Beschriftungsmaterial einen Energie absorbierenden Verstärker enthält, wobei das Beschriftungsmaterial aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Glasfritt(spezielles Glaspulver), Glasfritt mit keramischen Farben und Glasfritt mit Porzellanüberzügen besteht und das Werkstück aus Glas, Keramik, Porzellan und gewissen Metallen und Plastik besteht.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren vorzusehen, um ein Beschriftungsmaterial zu bestrahlen, welches gemischte organische Pigmente enthät, wobei das Werkstück Plastik, Glas, Keramik, Porzellan oder spezielles Metall ist.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der vorliegenden Beschreibung und den anschließenden Ansprüchen, ebenso wird Bezug auf die Zeichnungen genommen, die einen Teildieser Spezifikation bilden, wobei gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in der Zeichnung bezeichnen.
Vor der vorliegenden Erfindung gab es kein schnelles und daerhaftes Verfahren um gewisse Substratmaterialien mit hervorgehobenen Kontrast und/oder Farbe zu Beschriften, das auch einen schnellen Wechsel des Inhaltes und/oder der Information zulässt, ohne das Substrat zu Beschädigen. In der Theorie kann eine gut fokussierte optische Quelle die gleichen Temperaturen hervorrufen, die man mit Brennöfen bei konventionellen Brennprozessen erreicht. Die Geschwindigkeit der Computersteuerung für die optische Leistungsquelle, die Strahlsteuermechanik und der Markierungsinhalt ermöglichen es individuelle Kontrast-oder Farbmarkierungen auf das Substratmaterial in extrem kurzer Zeit ohne strukturelle Schäden aufzubringen, wie sie durch andere Markierungsprozesse nicht erreichbar sind. Die große Vielfalt der Beschriftungsmaterialien ermöglichen Bilder mit unterschiedlichen Eigenschaften einschließlich aber nicht beschränkt auf Kontrast, Farbe, Reflektion, Diffraktion, und unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, einschließlich aber nicht beschränkt auf Dicke, Dauerhaftigkeit, Stabilität, Struktur und el. Leitfähigkeit.
Das vorliegende erfinderische Verfahren zur dauerhaften Beschriftung von Material ist besonders nützlich beim Beschriften von Glas, Keramik, Porzellan und anderen zerbrechlichen Materialien, deren Oberflächenstruktur den thermischen Schock nicht aushält, der normalerweise beim Beschriften mit Hochleistungslasern auftritt. Bei der vorliegenden Erfindung gibt das resultierende Bild auf allen Substraten einen hervorgehobenen Kontrast und/oder eine Färbung, die die Marke leichter sichtbar und erkennbar durch das menschliche Auge und/oder eine Bilderkennung macht, und ferner widerstandsfähig gegen chemischen und mechanischen Verschleiß ist. Dieser Gesichtspunkt ist ein grosser Vorteil bei der Barcode und 2d-Symbolmarkierung, bei denen die bekannten Hochleistungslaser-Beschriftungssysteme nicht immer ausreichende Farb-und/oder Kontrastmarkierungen erzeugen.
Die Erfindung bezieht sich auf das dauerhafte Verbinden von hervorgehobenen Kontrast-und/oder Farbmaterial mit der Oberfläche von verschiedenen Gläsern, Keramik, Porzellan, Metall und Plastiksubstraten unter Verwendung von Strahlenergie, die von optischen Quellen wie Laser, Laserdioden und Direktdioden stammen kann. Die Strahlenergie der Sonne, sauber gefiltert und fokussiert könnte auch eine annehmbare Energiequelle bilden. Die Wellenlänge (1) und die Ausgangsleistung(Watt) der optischen Leistungsquelle werden durch die Kombination von Substrat und Beschriftungsmaterial bestimmt. Die Beschriftungsmaterialien sind gewählt, um mit verschiedenen Substratmaterialien bei bestimmten Temperaturen zu reagieren. Die Strahlenergiequelle kann die erforderlichen Temperaturen in kleinen lokalisierten Gebieten innerhalb von Mikrosekunden erzeugen und eine Umgebung schaffen, in der die gewünschten chemischen und mechanischen Reaktionen geschehen. Nahezu jede computererzeugte Markierung kann auf einem Substrat gebildet werden, indem man den Strahl der Energiequelle auf dem Markierungsmaterial bewegt unter Verwendung bekannter Strahlsteuerungen und/oder x-y-Plotter und /oder durch Relativbewegung des Werkstückes zum stationären Strahl.
Das Beschriftungsmaterial wird in Kontakt mit der Oberfläche des Werkstückes gebracht. Der Strahl der Strahlenergiequelle trifft auf das Beschriftungsmaterial, das die Energie absorbiert und die erforderliche Temperatur annimmt. Bei der Absorption der Strahlenergie wird zumindest ein Teil des Beschriftungsmaterials erregt, d. h. seine Atome oder Moleküle auf einen Erregungszustand angehoben. (Siehe Websters Enzyclopedic Unabridged Dictionnary of the English Language, Portland House, New York 1989, Seite 497.) Typischerweise wird eine Temperatur von 93–810°C (200–1500°F) in ungefähr ein oder zwei Mikrosekunden erreicht. Präzise Temperaturen werden durch die Leistung der Strahlungsquelle, den Abstand des Beschriftungmaterials zur Brennebene und die Strahlgeschwindigkeit eingehalten. Wenn die erforderliche Temperatur erreicht ist, verbinden sich Markierungsmaterial und Substrat dauerhaft miteinander, um eine neue Markierungsschicht auf dem Substrat zu bilden. Es wird angenommen, daß die Wechselwirkung zwischen Strahlenergie und Beschriftungsmaterial zu einem inerten Überzug führt, der mechanisch und chemisch mit dem Substrat verbunden ist. Es wird angenommen, daß die Markierungsschicht kovalente Bindungen mit dem Substrat-material eingeht und ferner angenommen, daß die chemischen Bindungen die Stärke der mechanischen Bindung überschreiten. Es können Beschriftungsmaterialien hergestellt werden, die spezifische Mengen einer speziellen Wellenlänge der Strahlenergie absorbieren.
CO₂-Laser können Glasmaterial dauerhaft beschriften, indem die Oberfläche thermisch geschockt wird und Frakturen hervorgerufen werden. Diese Frakturen widersprechen der strukturellen Integrität des Glases und neigen zur Ausweitung, wodurch Teile aus der Markierung herausfallen. Ferner hat die Bildmarke keinen hervorgehobenen Kontrast und kann schwer gesehen werden. Verschiedene organische Stoffe (Holz, Plastik usw.) können leicht mit CO₂-Lasern beschriftet werden, jedoch ist das resultierende Bild in Farben und/oder Kontrast beschränkt, die von der Materialzusammensetzung und dem Effekt der Laserenergie diese verbrennt die Oberfläche abhängig sind. Es gibt viele spezielle Plastikmaterialien, die bei einer speziellen Laserenegie die Farbe ändern und eine hervorgehobene Kontrastmarkierung hervorrufen.
Nd:YAG-Laser sind i. a. in der Lage eine Vielzahl von Metallen und einige organische Stoff zu beschriften. Jedoch gelten die gleichen Grenzen für Farbe und Kontrast. Einige Stähle und andere harte Metalle können mit ausreichender Laserleistung angebrannt werden, um eine dunkle Marke gegen-über der natürlichen Oberflächenfarbe zu erzeugen. Die bei diesem Verfahren auftretende Hitze dunkelt auch das Gebiet in der Umgebung der Markierung, was zu einem deutlich verringerten Kontrast führt. Ferner sind nur wenige Farbvariationen möglich. Die meisten Direktdioden können nicht die Strahlqualität oder Leistung eines Nd:YAG-Lasers erzeugen, um dessen Wirkung zu erreichen.
Die wesentlichen Vorteile des erfinderischen Verfahrens sind:

– keine strukturelle Beschädigung der Oberfläche des Substratmaterials,
– keine Nachbehandlung erforderlich, um die Markierung stabil zu machen,
– eine große Vielzahl von Farben, Kontrasten und physikalischen Eigenschaften,
– eine hohe Auflösung der bildlichen Markierung,
– Widerstandsfähigkeit gegen chemischen und mechanischen Verschleiß,
– Beschriftungsgeschwindigkeit in Sekunden und nicht Minuten oder Stunden,
– der Bildinhalt kann mit Computergeschwindigkeit geändert werden und
– individuelle Markierungen können voll automatisiert werden.

Als neu angesehene Eigenschaften des erfinderischen Verfahrens:

1) die Verwendung von Laser- oder Diodenbasierter Strahlung zur schnellen Anhebung der Temperatur des Beschriftungsmaterials auf dem Substrat, um eine neue Markierungsschicht auf dem Substrat zu bilden,
2) nur ein einziger Laserstrahldurchgang ist erforderlich,
3) die Auswahl von bestimmten Beschriftungsmaterialien in Verbindung mit speziellen Substratmaterialien, bei denen die Strahlung der Katalysator ist,
4) die Geschwindigkeit der Markierungsherstellung,
5) die Geschwindigkeit, mit der die Markierung geändert werden kann,
6) das Aufbringen des Beschriftungsmaterials auf der Substratoberfläche,
7) das Ausbringen von Markierungen auf Glas und anderen zerbrechlichen Oberflächen ohne Risse,
8) verstärkter Kontrast und/oder Farbe der Markierung,
9) die Herstellung von zwei, drei oder Vierfarbbildern mit nahezu Photoqualität,
10) Vermeidung des Brennens des gesamten Werkstückes,
11) die Fähigkeit zum Abtragen(falls gewünscht) und anschließende Markierung ausgewählter Substrate, um eine kontrastreiche 3D-Markierung durch ein einfaches zweischrittiges Verfahren zu erreichen.
12) die Verwendung von relativ billigen und wenig umweltverschmutzenden Markierungsmaterialien (Glasfritt, Mischmetalloxide oder gemischte organische Pigmente) anstelle von Silberoxid oder anderen teueren, giftigen Materialien,
13) höhere Auflösung der bildlichen Markierung (> 1000 dpi).

BEISPIELE UND FIGUREN
In allen aufgeführten Figuren sind die Markierungen mit kommerziell erhältlichen Nd:YAG-Lasern hergestellt, wie sie bsw, von Lumonics Corp. und /oder Rofin Sinar Corp. gefertigt werden und die erforderlichen Leistungsmerkmale und optischen Eigenschaften haben. In allen Fällen produziert der Lasermarkierer eine Fleckgröße von 100 bis 125 μm und die Oberfläche des Werkstückes lag 2 bis 3 mm unterhalb der Fokusebene des Laserstrahles. In 2 bis 8 wurde das Beschriftungsmaterial mit einer sanften Bürste auf der Werkstückoberfläche mit einer Stärke zwischen 75 und 125 μm aufgebracht.
1 ist die Photographie eines Transfer-Labels mit Cerdec^TM 24-2702 Glasfritt, das Energie absorbierende Mittel enthält, als Beschriftungsmittel mit einer Stärke von ungefähr 250 μm für einen Glasträger bei einem Mikroskop nach dem erfinderischen Verfahren. Die linke Markierung wurde mit 5 Watt cw-Leistung und einer Strahlgeschwindigkeit von 200 mm/sec hergestellt und zeigt einen hohen Kontrast von allen Blickwinkeln ohne erkennbare Oberflächenschäden. Die rechte Markierung wurde mit den gleichen Lasereinstellungen vorgenommen, mit Ausnahme einer Vorschubgeschwindigkeit von 300 mm/sec, was verringerten Kontrast ergibt.
2 ist die Photographie eines rostfreien Stahlwerkstückes, dessen obere Markierung mit Cerdec^TM 29–1777 Amber Stain Mischmetalloxid hergestellt wurde, welches im Gewichtsverhältnis 1 : 1 mit mineralischem Öl gemischt war, wobei das Beschriftungsmaterial beim erfinderischen Verfahren einen hohen Kontrast bei allen Blickwinkeln bietet und ohne erkennbare Schäden auf der Werkstückoberfläche. Die Markierung wurde mit 5 Watt cw-Leistung bei einer Strahlgeschwindigkeit von 200 mm/sec hergestellt. Die untere Markierung wurde mit den gleichen Lasereinstellungen jedoch ohne das erfinderische Verfahren ausgeführt, was nur einen Laserabtragungsprozeß ergibt und eine Markierung mit wechselnden Kontrast, der völlig vom Blickwinkel abhängig ist.
3 zeigt die Photographie eines polierten rostfreien Stahlwerkstückes, dessen Markierung mit Cerdec^TM 29-1777 Mischmetalloxid hergestellt war, das im Gewichtsverhältnis 1 : 1 mit mineralischem Öl gemischt war und als Beschriftungsmaterial beim erfinderischen Verfahren hohen Kontrast von allen Blickwinkeln ohne erkennbare Oberflächenschäden ergibt. Die Markierung wurde mit 5 Watt cw-Leistung mit einer Srahlgeschwindigkeit von 200 mm/sec hergestellt.
4 zeigt ein Aluminiumwerkstück, dessen Markierung unter Verwendung von 10 Teilen Cerdec^TM 29-1060 Mischmetalloxid und einem Teil Cerdec^TM 29-1777 Mischmetalloxid hergestellt ist, die im Gewichtsverhältnis 1 : 1 mit mineralischem Öl gemischt waren und als Beschriftungsmaterial hohen Kontrast ohne Oberflächenschäden beim erfinderischen Verfahren ergeben. Die Markierung wurde mit 5 Watt cw-Energie und einer Srahlgeschwindigkeit von 200 mm/sec hergestellt.
5 ist die Photographie eines Aluminium-Keramikwerkstückes, dessen Markierung mit Cerdec^TM 24-2702 Glasfritt hergestellt wurde, das Energie absorbierende Verstärker(enhancer) enthält und im Gewichtsverhältnis 1 : 1 mit mineralischem Öl gemischt war und als Beschriftungsmittel beim erfinderischen Verfahren hohen Kontrast ohne Oberflächenschäden ergibt. Die Markierung wurde mit 5 Watt cw-Leistung und einer Strahlgeschwindigkeit von 200 mm/sec erzeugt.
6 zeigt die Photographie einer Quarz-Lichtlampe, deren Markierung mit Cerdec^TM 24-2702 Glasfritt hergestellt ist, welches Energie absorbierende Verstärker enthält und im Gewichtsverhältnis 1 : 1 mit mineralischem Öl gemischt war und als Beschriftungsmaterial beim erfinderischen Verfahren hohen Kontrast ohne erkennbare Oberflächenschäden ergibt. Die Markierung wurde mit 5 Watt cw-Leistung und einer Strahlgeschwindigkeit von 200 mm/sec hergestellt.
7 ist die Photographie eines Glasträgers für ein Mikroskop, dessen Markierung mit Cerdec^TM 20-2702 Glasfritt hergestellt ist, welches Energie absorbierende Verstärker enthält und im Gewichtsverhältnis 1 : 1 mit mineralischem Öl gemischt war und als Beschriftungsmittel beim erfinderischen Verfahren zur Herstellung einer 2D-Symbolmarke mit alphanumerischen Zeichen einen hohen Kontrast ohne Schäden an der Werkstückoberfläche ergibt. Die Markierung wurde mit 5 Watt cw-Leistung bei einer Strahlgeschwindigkeit von 200 mm/sec hergestellt, mit einer durchschnittlichen Dicke von ungefähr 3 μm und einer maximalen Dicke von ungefähr 14 μm. Ähnliche Resultate werden bei der Anwendung des erfinderischen Verfahrens bei anderen Substratmaterialien erhalten.
8 zeigt die Photographie eines Stückes eines flachen Borosilikat-Schauglases, bei dem die erzeugte Markierung mit Cerdec^TM 24-2702 Glaspulver hergestellt wird, welches Energie absorbierende Verstärker enthält, die im Gewichtsverhältnis 1 : 1 mit mineralischen Öl gemischt sind und das Beschriftungsmaterial beim erfinderischen Verfahren ein 2d-Symbol mit alphanumerischen Zeichen bildet, die einen hohen Kontrast unter allen Blickwinkeln liefern, ohne das Schäden auf der Oberfläche des Werkstückes erkennbar sind. Die Markierung wurde mit 5-Watt cw-Leistung bei einer Strahlgeschwindigkeit von 200 mm/s hergestellt.
9 ist eine Tabelle, die die Parameter für die Laserbeschriftung bei verschiedenen Substratmaterialien zeigt.
10 ist eine Darstellung des laufenden erfinderischen Verfahrens. Bevor die beschriebenen Ausführungen der Erfindung im Detail erklärt werden, sollte verstanden werden, daß die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf Details der beschriebenen Erfindung beschränkt ist, da die Erfindung auch Abweichungen einschließt. Ebenso wird die verwendete Formulierung zu Zwecken der Beschreibung und nicht zur Einschränkung verwendet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE.
Es folgen einige hier verwendete grundlegende Definitionen.
Keramische und Porzellanüberzüge: Ein weich schmelzendes Glas, welches wie andere keramische Glasuren aus Flußmitteln und Aluminium-Silikaten besteht. Porzellanüberzüge werden üblicherweise bei metallischen Oberflächen benutzt.
Vergleichbare Metalloxidgemische und Glaspulver-Materialien (Fritts) können über Hersteller, wie Bayer Company, Cookson Matthey Zirkon, Ferro Corp. Cerdec usw bezogen werden.
Das Verfaren nach der Erfindung ist besonders geeignet zur Beschriftung von Metallen, Plastik, Gläsern und Glaskeramik.
Glas und Glaskeramik sind gut bekannt und z, B. beschrieben in Ullmann's Enzyklopädie der techn. Chemie, 4. Auflage, Band 14, Seiten 317–366.
Unter keramischen Materialien werden nichtorganische, nichtmetallische, hochschmelzende Stoffe verstanden. die in der Literatur als Tonkeramik und Spezialkeramik bezeichnet sind. Beispiele hierfür sind Oxide in kristalliner oder glasiger Form, z. B. Alkalimetall oder Erdalkalimetall Aluminium-silikate oder Aluminiumborate, insbes. Nichtoxide wie Karbide, Nitride und Silikide. Hinsichtlich weiterer Beispiele wird auf Ullmann's Enzyklopädie der techn. Chemie, 4. Auflage, Band 13, Seiten 712–716 verwiesen.
Glasuren sind chemisch definiert wie folgt:

1. Basen, mit fließendem Agens, repräsentiert durch Alkali-Metalloxide, alkaline Erdalkali-Metalloxide, Zinkoxide, Bleioxide und andere färbende Oxide und Farbträger.
2. Zwischenstufen, die amphoterische Oxide umfassen, in der eine Gruppe von Aluminia das gängige Beispiel ist und zu denen auch manchmal ferritisches Chrom, Mangan und andere Oxide gerechnet werden. Auch Borsaüre wird manchmal als Mitglied dieser Gruppe angesehen.
3. Saüren, zu denen Silicol, phosporische Oxide, Zirkonium und Fluor gehören.

Glasuren sind glasige Überzüge, die auf keramischen Material aufgebracht werden und eine sehr ähnliche Zusammensetzung wie Glas haben (vorg. Zitat, Seiten 722–724) Typische Beispiele von Glasuren bestehen aus Quarz, Lehm, Alkalimetalloxiden, Erdalkali-Metalloxiden und niedrig schmelzenden Oxiden (Na₂O, K₂O, CaO, BaO, PbO) als Flußmittel.
Abhängig von der Verwendung kann das zu beschriftende Material farblos, schwarz, weiß oder mit einem passenden Pigment gefärbt sein, auf dem die Markierungsschicht einen zusätzlichen Kontrast hervorruft oder das ein Pigment enthält. (z. B. Metall, Glas, keramische oder organische Färbemittel).
Zur Ausführung der Erfindung muß der verwendete Laser oder Diode einen relativ niedrigen Leistungswert zwischen 1–20 Watt auf der Oberfläche des zu beschriftenden Materials erzeugen. Handelsüblich verfügbare Laser-Beschriftungssysteme, die im cw- oder gepulstem Modus betrieben werden, können Verwendung finden. Z. B kann ein gepulster Nd:YAG-Laser mit einer Spitzenleistung von 100 Watt, einer Pulsdauer von 5–20 μsec bei einer Frequenz von 20 kHz oder höher verwendet werden. Jedoch erfordert der zur Verwendung kommende Lasertyp, daß der Effekt der Strahlenergie reduziert wird. Zum Beispiel, durch mechanische Blenden und/oder Dichtefilter und/oder Polarisierer und/ oder durch eine Defokussierung des Strahles auf der Werkstückoberfläche, wie in 10 gezeigt.
Das in 7 dargestellte Werkstück wurde unter Verwendung einer Lumonics Lightwriter Lampe mit einem gepumpten Nd:YAG beschriftet, wobei eine mechanische 2 mm Blende und ein Polarisierer zum Einsatz kommen, die einen cw-Strahl erzeugen, der durch eine flache Feldlinse auf eine Brennfleckgröße von ungefähr 125 μm bei einer Leistung von 5 Watt fokussiert wurde und durch ein Strahlsteuersystem mit einer Geschwindigkeit von 200 mm/s bewegt wurde.
Zusätzlich wurde ein Uniphase Stabilite^TM diodengepumpter Nd:YAG-Laser verwendet, der einen 700 μm großen cw-Strahl erzeugt und mit einer 50 mm Linse auf eine Fleckgröße von 90 μm bei einer gemessenen Leistung von 3.1 Watt fokussiert wird und von Hand mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 50 MM/sec bewegt wurde.
In 10 wird der konventionell erzeugt Laserstrahl 100, 105 defokussiert für die Oberfläche 109 des Werkstückes 106, indem man dem Laserstrahl 10 gestattet durch die Brennebene 102 hindurchzutreten und auf das Markierungsmaterial 103 einzuwirken, das auf der Oberfläche 109 des Werkstückes 106 aufgebracht ist. Es wurde gezeigt, daß die angegebene Plazierung des Werkstückes unterhalb der Brennebene zur Verwendung der divergierenden Strahlenergie 105 gegenüber der Verwendung der konvergierenden Strahlenergie oberhalb der Brennebene vorzuziehen ist. Der resultierende Fleck 104 hat einen Durchmesser dl von 5–200 μm in der bevorzugten Betriebsweise. Die Richtung der Bewegung 108 des divergierenden Laserstrahles 105 auf der Oberfläche des Markierungsmaterials 103 ist dargestellt. Eine Strahlsteuervorrichtung 110 bewegt den Strahl. Die resultierende verbundene Schicht, welche durch die Markierung 107 dargestellt ist ist in Kontrast zum verbleibenden nicht bestrahlten Markierungsmaterial 103 auf der Oberfläche des Werkstückes 106.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird ein kostengünstiger, weniger leistungsstarker luftgekühlter Laser verwendet, der erheblich weniger Energie verbraucht, wie ein Direktdioden-oder ein diodengepumpter Laser. Optimale Resultate werden im allgemeinen bei der Verwendung einer durchschnittlichen Leistung von 5 Watt erreicht mit einer Fleckgröße von 125 μm, der mit einer Geschwindigkeit von 200 mm/sec über die Oberfläche des Markierungsmaterials geführt ist.
Laser, deren Parameter leicht angepasst werden können, wie z. B. Pulsinhalt und Pulsdauer, erlauben die bestmögliche Adaption an die Anforderungen des Markierungsmaterials 103 und die Zusammensetzung des zu markierenden Werkstückes 106. In keinem Fall ist eine Vorerwärmung des Werkstückes erforderlich. Die passende Strahlenergie ist diejenige, bei der das Markierungsmaterial die Energie am Besten absorbiert. Es ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, daß nur ein Durchgang des Strahles zur Ausführung erforderlich ist. Bei allen Versuchen wurde das erfinderische Verfahren bei einer Raumtemperatur von ungefähr 21°C (70°F) ausgeführt. Es wird angenommen, daß sowohl heiße als auch kalte Substratmaterialien während ihres Herstellungsprozesses nach dem erfinderischen Verfahren beschriftet werden können. In einer abgewandelten Form der Erfindung kann zur Herstellung der Markierung das Werkstück relativ zu einem stationären Laserstrahl bewegt werden.
Vorzugsweise werden die angegebenen Relativgeschwindigkeiten durch ein computergesteuertes Werkstückbewegungssystem (nicht gezeigt) erreicht, wobei x-y und oder Drehbewegungen mit Schrittmotoren und/oder Servomotoren ausgeführt werden, wie sie bsw. die Newport Corporation liefert und/oder Strahlbewegungsmechanismen (nicht gezeigt), wie Z. B. der HPM Abtastkopf mit Spiegeln, wie ihn General Scanning. Inc. liefert. Alternativ kann die Strahlsteuerung auch z. B. optoakustisch, holographisch oder durch Polygonabtaster erreicht werden.
Die bevorzugten Kombinationen von Beschriftungsmaterialien und Werkstückzusammensetzungen sind nachfolgen aufgeführt:
TABELLE I
Die Verwendung und/oder Kombination von verschiedenen Zusammensetzungen von Beschriftungsmaterial und/oder aufeinanderfolgende Anwendungen von Beschriftungsmaterial und/oder die Anpassung von Laserparametern ergeben Veränderungen in der Dauerhaftigkeit, dem Aussehen und der strukturellen Form der resultierenden Markierung. Auf diese Weise kann eine in der Lasermarkierung geübte Person eine breite Variation von Beschriftungscharakteristiken schaffen, die seinen Anforderungen entsprechen. Alle Charakteristika der Beschriftung können durch die Verwendung eines einzigen niederenergierreichen, kostengünstigen luftgekühlten Diodenlaser erreicht werden. Weiterhin kann eine unzählige Variation der Farben erreicht werden. Diese Merkmale sind ein bedeutender Fortschritt in der Technik der Oberflächenbeschriftung.
Die Vorbereitung des Beschriftungsmaterials in flüssiger Form kann z. B. durch niedriges oder hohes mechanisches zerreibendes (sheer mixing) Mischen, Ultraschallmischen und/oder durch Mahlen geschehen. Das Beschriftungsmaterial in flüssiger Form kann von Hand oder automatisch auf der Substratoberfläche aufgebracht werden in der gewünschten Stärke durch: a) Pinseln von Hand auf die Oberfläche, b) mechanisches Bürsten oder Rollen auf die Oberfläche, c) Sprühen auf die Oberfläche, d) Schirmdrucken oder e) Beschichtung der Oberfläche und anschließendes Schaben der Oberfläche des Beschichtungsmaterials bis zu der gewünschten Stärke oder Rotation des Substrates. Nicht mit der Oberfläche fest verbundenes Material kann durch konventionelle Reinigungsprozesse entfernt werden. Bei höheren Stückzahlen kann das Beschriftungsmaterial wiedergewonnen und weiterverwendet werden.
Das Beschriftungsmaterial in fester Form kann von Hand oder automatisch in Kontakt mit der Oberfläche des Werkstückes gebracht erden durch: a) druckempfindliche, leicht selbsthaftende Aufkleber b) nicht klebende Bänder, die durch ein mechanisches Gerät auf die Oberfläche des Substrates gepresst werden. Die Aüfkleber und Bänder garantieren eine richtige und gleichmässige Stärke und Zusammensetzung des Beschriftungsmaterials, wenn es in Kontakt mit der Oberfläche des Substrates gebracht wird. Zusätzliche Materialien, die bei der Anwendung des Beschriftungsmaterials in flüssiger Form oder bei der Herstellung der Bänder und/oder Aufkleber auftreten. Werden im wesentlichen verdampft und vom Substrat weggeblasen Eine laminare Luftströmung entlang der Oberfläche des Substrates wird durch das Wegblasen und/oder in Sauggerät erzeugt und damit eine gleichförmige Umgebung garantiert, in der der erfinderische Prozeß ablaufen kann.
TRANSFER-BESCHRIFTUNGSMEDIA
In einer besonderen Ausführungsform sieht die Erfindung Transfer-Beschriftungsmedia zur Verwendung bei der Laserbeschriftung vor.
Diese Medien umfaßen einen Träger, auf dem das Beschriftungsmaterial aufgebracht oder ein Bestandteil ist. Von besonderer Bedeutung sind druckempfindliche, leicht selbsthaftende adhesive oder nichtadhesive Bänder oder Aufkleber, die durch ein mechanisches Gerät in Kontakt mit der Substratoberfläche gebracht werden. Passende Träger sind Papier und biegsame plastische Filme, wie Polyester, Polyethylene und Polypropylenfilme.
Das Beschriftungsmaterial kann in einer Überzugskomposition vorhanden sein, die auf die Trägeroberfläche aufgebracht wird. Die Komposition kann z. B. aus einer druckempfindlichen adhesiven Komponente bestehen. Alternativ kann das Beschriftungsmaterial z. B. im biegsamen Polymerfilm des Trägers, wie Polyester, Polyethylen oder Polyprophylen integriert sein. Das Beschriftungsmaterial kann auch die Form von sog. glasigen Überzügen annehmen.
Diese Überzüge enthalten i. a. ein bleihaltiges oder besser bleifreies Glaspulver, eine Farbe und/oder farbiges Glaspulver und einen organischen Träger. Diese Überzüge werden normalerweise auf Glas, Keramik oder andere nicht pöröse Substrate aufgebracht und bei Temperaturen in der Gegend von 600–900°C gebrannt, um den Überzug auf der Oberfläche des Werkstückes aufzuschmelzen. Bei der vorliegenden Erfindung kann der Träger mit dem Überzug in gewünschter Stärke überzogen werden, um das Transfermedium zu schaffen.
Das Beschriftungsmedium mit dem Beschriftungsmaterial, welches entweder als Überzug oder Bestandteil enthalten ist, wird dann in Kontakt mit der zu beschriftenden Oberfläche des Substrates gebracht und mit der Energie von Laser oder Diode behandelt, um die erforderliche Markierung zu erreichen. Nach der Anwendung dieser Energie wird das überschüssige Beschriftungsmedium vom Substrat entfernt, wenn der Träger von der Substratoberfläche getrennt wird.
Die Beschriftungsmaterialien können als solche Materialien definiert werden, die bei der Anwendung ausreichende Energie zur Erzeugung der erforderlichen Wärme für die feste Verbindung mit dem Glas, der Keramik oder anderen nicht pörösen Stoffen aufnehmen, um einen hervorgehobenen Kontrast und/oder eine Farbbeschriftung auf dem Substrat zu erzeugen.
Niedrigtemperatur Glaspulver können allein oder in Kombination mit anderen Materialien verwendet werden.
Beispiele für passende anorganische Pigmente, die verwendet werden können, sind bsw. beschrieben in Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 14, Seiten 1–12 und in der Veröffentlichung der Dry Color Manufacturers Association (DCMA) „Classification and Description of the Mixed Metall Oxide Inorganic Colored Pigments" Second Edition, Jan. 1982. Diese Pigmente sind „keramische Farben": z. B. Mischungen von Oxiden verschiedener Übergangselemente oder Mischungen von Oxiden verschiedener Übergangselemente mit Metalloxiden von Elementen der Hauptgruppen des periodischen Systems, z. B. mit Spinelltypstruktur und mit Gemischen wie Zirkon-Silikat, Zirkonoxid oder Zinnoxid, deren Kristallstruktur Ionen von Übergangsmetallen oder Metallen seltener Erden enthalten, wie z. B. in Zirkon-Vanadiumblau, in Zirkon-Preseo-dymegelb, in Zirkoneisenrosa oder Kadmiumsulfide und Kadmium-Sulfoselenide, ebenso wie Einschlußpigmente die solche Gemische enthalten, z. B. auf der Basis von Zirkon-Silikat, Zinnoxid Zirkonoxid oder Quarz.
Beispiele typischer keramischer Farben sind Kobalt-Aluminate, Chrom-Zinnrosa Kugeln, Chrom-Zinnorchid Cassitorite, Zinn-Vanadiumgelb, Zirkon-Preseodymegelb, Zirkon-Eisenrosa, die Kadmium-Sulfoselenide und Kadmiumsulfide und eingeschlossene Gemische, die sie enthalten, wie bsw. Zirkon-Silikat, Zinnoxid, Zirkonoxid oder Quarz, Kupferrot, Manganrosa, die braunen Eisenoxid Pigmente, wie Eisenoxide, Eisen-Chrom-Alumminiumspinelle, Mangan-Aluminiumspinelle, Wein-Chromspinelle, Eisen-Aluminumspinelle, Mangan-Chromspinelle, Zink-Eisen-Chromspinelle, Zinnoxide, Titandioxide und Titanate, z. B. Nickel-Antimon-Titanat, Chrom Antimon-Titanat oder Mangan-Antimon Titanat.
Bevorzugte Pigmente sind Zirkon-Vanadiumgelb, Preseodymegelb, die braunen Eisenoxid Pigmente wie Zink-Eisen-Chromspinelle und Zirkon-Eisenrosa, Titanium-Dioxid, Titanate, Kadmium- Sulfide und Kadmiumsulfoselenide, gleichermassen auch als Einschlußpigmente, die solche Gemische enthalten.
Beispiele für auf Laser oder Diode basierende Energiequellen sind gepulste Festkörper-und/oder cw-Laser, wie Rubinlaser oder frequenzvervielfachte Nd:YAG-Laser, gepulste Laser mit Booster, wie gepulste Dye-Laser oder Raman Shifter und auch cw-Laser mit Pulsänderungen(Q-Switch), z. B auf der Basis von cw-Nd:YAG-Laser mit Frequenzvervielfacher oder cw-Ionenlaser(AR, Kr), sowie gepulste Metalldampflaser (z. B. Kupferdampflaser oder Golddampflaser) oder hochkapazitiv gepulste Halbleiterlaser und ebenso gepulste Gaslaser, wie CO₂ und Excimer.
Bevorzugt wird ein kostengünstiger cw-Diodenlsaer mit niedriger Leistung (6 Watt). Bei anderen Lasern mit höherer Leistung muß die Leistung teilweise durch bekannte Massnahmen verringert werden, z. B. durch Blenden und/oder Filter und/oder Polarisierer und/oder Spiegel mit geringeren Wirkungsgrad.
Die gewählte Wellenlänge für die von Laser oder Diode stammende Energie ist diejenige, bei der der Energie absorbierende Verstärker (enhancer) die Strahlungsenergie mit dem besten Wirkungsgrad aufnimmt.
Verschiedene Verfahren sind für die Laserbeschriftung geeignet, z. B. a) das Maskenverfahren, bei dem die zu beschriftende Fläche gleichmässig mit dem Beschriftungsmaterial beschichtet wird und die Strahlenergie durch eine entsprechend den vorgegeben Daten gestaltete feste Maske durchtritt und auf das Beschriftungsmaterial trifft, um die gewünschte Markierung zu erzeugen, und b) die Punkt-Matrixmethode, bei der die zu beschriftende Oberfläche gleichmässig mit dem Beschriftungsmaterial überzogen wird, die Strahlenergie computergesteuert variabel durch die Punktmaske hindurchtritt und auf das Beschriftungsmaterial zur Erzeugung der gewünschten Beschriftung auftrifft und c) die Strahlablenkungsmethode, bei der die zu beschriftende Oberfläche gleichmässig mit dem Beschriftungsmaterial überzogen wird und die Strahlenergie durch einen Strahlsteuerkopf tritt um die gewünschte Beschriftung zu erzeugen und d) die x-y-Plotter-Methode, bei der die zu beschriftende Oberfläche gleichmässig mit dem Beschriftungsmaterial überzogen wird und die Strahlenergie mittels eines x-y-Gerätes mit Spiegeln und/oder Fiberoptik geführt ist und auf das Beschriftungsmaterial zur Erzeugung der gewünschten Beschriftung auftrifft und e) das Werkstückbewegungsverfahren, bei dem die zu beschriftende Oberfläche gleichmässig mit dem Beschriftungsmaterial überzogen wird und das zu beschriftende Werkstück mittels eines in x-y-Richtung verschiebbaren Schlittens unter einem stationären Strahl bewegt wird, der auf das Beschriftungsmaterial zur Erzeugung der gewünschten Beschriftung auftrifft und f) die Flächenbestrahlungsmethode, bei der das Beschriftungsmaterial datenspezifisch auf die Werkstückoberfläche aufgebracht wird und die Bestrahlung der datenspezifischen Markieungen mittels eines Strahlsteuergerätes oder durch Bewegung des Werkstückes unter einem stationärem Strahl erreicht wird. Bei den Verfahren b)–f) wird der Laser vorteilhafterweise mit einem Laserbeschriftungssystem kombiniert, sodaß das Werkstück mit jeglichen, z. B. computerprogrammierten Zahlen, Buchstaben und Sonderzeichen dort versehen werden kann, bei denen das Beschriftungsmaterial vom Laserstrahl mit größtem Wirkungsgrad getroffen wird.
Bei einer bevorzugten wichtigen Form der Erfindung kann das Beschriftungsmaterial so gewählt sein, daß es nur ein sehr schmales Band von Wellenlängen absorbiert, z. B. 1 μm und mit dem Substrat reagiert, wenn die richtige Temperatur erreicht ist. Auf diese Weise kann eine einzige optimale Energiequelle (Laser oder Diode) zur Beschriftung aller Materialien verwendet werden.
Obwohl die Erfindung im Hinblick auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, können zahlreiche Abänderungen und Variationen gewählt werden. Es ist keine Beschränkung durch die speziellen, beschriebenen Ausführungsbeispiele beabsichtigt noch sollte eine solche angenommen werden.

Claims

Ein thermisch aktiviertes, chemisch basiertes Verfahren zur Beschriftung mit folgenden Schritten: Anwendung eines Beschriftungsmaterials, mit einem Energie-absorbierenden Verstärker oder einer die Absorbierung von Energie-verstärkenden Komponente für ein Substrat, einem Beschriftungsmaterial mit einem ausgewählten Glaspulvermaterial, einem Material aus einem Gemisch von Metalloxyden und einem organischen Pigmentmaterial und einer Bestrahlung des Beschriftungsmaterials mit einem Lichtenergiestrahl, der ein Energieniveau von 1 bis 20 Watt an der zu beschriftenden Oberfläche erzeugt und mit einer ausgewählten Wellenlänge um den Energie absorbierenden Verstärker oder die verstärkende Komponente so zu erregen, daß das Beschriftungsmaterial mit dem Substrat verbunden wird, wodurch eine mit dem Substrat verbundene Schicht in Form einer Markierung auf dem Substrat gebildet wird, wobei die verbundene Markierungsschicht einen hervorgehobenen Kontrast oder eine farbige Beschriftung oder beides auf dem Substrat bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Beschriftungsmaterial auf dem Substrat als Schicht vorgesehen wird, die Schicht in Übereinstimmung mit der gewünschten Beschriftungsform bestrahlt wird und nicht mit dem Substrat verbundenes überschüssiges Material vom Substrat entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Beschrifungsmaterial auf einem Träger angeordnet wird, der Träger in Kontakt mit dem Substrat gebracht wird, der Träger in Übereinstimmung mit der gewünschten Beschriftungsform bestrahlt wird und überschüssiges Material, welches nicht mit dem Substrat verbunden ist vom Substrat durch Trennen des Trägers vom Substrat entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Beschriftungsmaterial auf das Substrat in Übereinstimmung mit der gewünschten Beschriftungsform aufgebracht und das angewandte Material bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Beschriftungsmaterial ein Glaspulvergemisch ist, welches einen Energie-absorbierenden Verstärker enthält.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Substrat ein Glas-oder Metallsubstrat ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem das Glaspulvermaterial Borsilikatglas enthält und der Energie-absorbierende Verstärker schwarzen Ruß enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem das Glaspulvermaterial eine Farbe oder ein Pigment enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Beschriftungsmaterial ein Gemisch von Metalloxyd ist, welches einen Energie-absorbierenden Verstärker enthält.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Substrat ein metallisches Substrat ist oder ein Substrat aus der Gruppe ausgewählt ist, die Aluminium, Messing, Chrom, Kupfer, Nickel, Stahl, rostfreien Stahl, Zinn, Glas, Keramik Porzellan und Plastik umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Energie-absorbierende Verstärker schwarzen Ruß umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem das Metalloxydgemisch eine Farbe oder ein Pigment enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Beschriftungsmaterial ein organisches Pigmentmaterial ist, welches einen Energie-absorbierenden Verstärker enthält.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das Substrat ein Plastiksubstrat ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem der Energie-absorbierende Verstärker schwarzen Ruß enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Beschriftungsmaterial ein organisches Pigmentmaterial ist, das ein Energie-absorbierendes organisches Pigment enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Beschriftungsmaterial eine Stärke zwischen 5 und 500 Mikrometer hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches den zusätzlichen Schritt umfasst, daß ein laminarer Luftstrom über das Substrat während der Bestrahlungsschrittes geleitet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zusätzlich den Schritt umfasst, daß bei einer Zimmertemperatur von 21°C (70°F) begonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Lichtenergiestrahl fernerhin einen Laserstrahl umfasst, dessen Energieniveau von 1 bis 30 Watt reicht, einen Brennfleck dessen Grösse zwischen 5 bis 200 Mikrometer liegt und mit einer Beschriftungsgeschwindigkeit längs des Substrates, welche von 25 bis 1000 mm/sec reicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Quelle der Lichtenergie ein CW-Laser oder ein gepulster Diodenlaser ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beschriftungsschicht einen hohen Kontrast aus allen Blickwinkeln ohne feststellbare Schäden an der Oberfläche des Substrates aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Beschriftungsmaterial in flüssiger Form vorliegt.
Ein Substratmaterial, welches nach einem Verfahren entsprechend einem der vorhergehenden Ansprüche laserbeschriftet ist.