CZ303934B6 - Zpusob povrchového znacení materiálu pomocí laserového paprsku a zarízení k provádení tohoto zpusobu - Google Patents

Abstract

Vynález se týká zpusobu povrchového znacení matriálu (3) pomocí laserového paprsku (1) s vlnovou délkou .lambda., pri kterém je znacený materiál (3) transparentní, a asistencního materiálu (2). Znacený povrch materiálu (3) se na strane odvrácené od zdroje zárení vlozí do vrstvy asistentního materiálu (2) tvorené práskem se zrnitostí dle pozadovaného provedení znacení a kvality, obsahující alespon jednu slozku, která absorbuje zárení laserového paprsku (1). Laserový paprsek (1) prochází skrz transparentní znacený materiál (3). Dále se vynález týká zarízení k provádení tohoto zpusobu, sestávajícího z nádoby (4) naplnené asistentním materiálem (2) a z laseru umísteného nad nádobou (4).

Description

Způsob povrchového značení materiálu pomocí laserového paprsku a zařízení k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Technické řešení se týká způsobu povrchového značení výrobků pomocí laserového paprsku s vlnovou délkou λ, při které je materiál značeného výrobku pro paprsek laseru průchozí (transparentní materiál) a pomocí přídavného materiálu absorbujícího laserový paprsek dané vlnové délky a dále se týká uspořádání k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Z technické praxe jsou známa různá řešení značení povrchů výrobků paprskem laseru. Jedná se například o značení kovů, kde je materiál z povrchu odpařován nebo ovlivňován tepelně, nebo značení plastů, kde je povrch materiálu zuhelnatěn, nebo nanášení různých barev. Dále je známo například ražení značek, takovéto řešení není vhodné pro některé druhy materiálů (např. sklo a keramika).

U materiálů, u kterých paprsek laseru dané vlnové délky s materiálem neinteraguje, ale prochází jím, jako je například sklo při vlnové délce λ = 1064 nm, se v současné době rovněž využívají různé metody značení povrchu. Mezi klasické metody patří například sítotisk, tj. nanášení barvy, pískování, leptání a broušení. Tyto metody jsou náročné na přípravu, provedení a přesnost popisu. Technologie leptání má navíc i negativní ekologický dopad.

Pro vytváření různorodých obrazců na povrch transparentního materiálu se rovněž užívá laserový paprsek. Výhodné použití laserového paprsku je hlavně u individuálního značení, jako je například sériové číslo výrobku, kód a podobně, v sériové výrobě, neboť umožňuje rychlou změnu popisu a také u vytváření složitějších obrazců nebo přesných obrazců na rovinném i prostorově zakřiveném povrchu výrobku. Pohyb paprsku laseru je řízen počítačem a dráhu pohybu paprsku laseru je možné libovolně a rychle upravovat změnou programu. Vzniklý popis je trvalý a dobře rozeznatelný.

Metody popisu materiálů, jakými jsou například různé druhy skla, používající paprsek laseru lze dále rozdělit na metody přímé a nepřímé. Přímá metoda spočívá v použití laserového paprsku, který je absorbován popisovaným materiálem a ablací materiálu z povrchu vznikne trvalý dobře rozlišitelný popis. Tato metoda využívá takový paprsek laseru, který má vhodnou vlnovou délku, aby byl popisovaným materiálem absorbován, například CO₂ laser. Nepřímé metody využívají paprsek laseru s takovou vlnovou délkou λ, kdy je popisovaný materiál pro toto záření průchozí, například Nd:YAG laser o vlnové délce záření λ = 1064, nm, přičemž pro vytvoření popisuje zapotřebí přídavný materiál, který absorbuje záření použitého paprsku laseru a vzniklou reakcí dochází k ovlivnění povrchu výrobku a tím ke vzniku trvalého, dobře rozeznatelného popisu.

Jedna z nepřímých metod spočívá v nanesení vrstvičky přídavného materiálu na povrch, který má být popisován nebo dekorován. Přídavný materiál obsahuje složku zesilující absorpci laserového paprsku. V místě absorpce paprsku laseru je tento přídavný materiál natavován a spojen s popisovaným materiálem a tím vzniká stálý kontrastní popis.

Nevýhoda této metody je v nutnosti nanesení vrstvičky přesné tloušťky na popisovaný povrch výrobku, aby při interakci s paprskem laseru došlo ke správnému spojení přídavného materiálu s popisovaným materiálem. Další nevýhodou je, že u této metody musí být zaručeno uchycení přídavného materiálu na značeném povrchu materiálu výrobku.

- 1 CZ 303934 Β6

Další nepřímá metoda využívá k popisu povrchu výrobku přídavný materiál v podobě pevné podložky. Povrch podložky z přídavného materiálu je v těsném kontaktu s popisovaným povrchem výrobku. Popis vzniká odpařením částic přídavného materiálu z podložky na popisovaný povrch výrobku.

Nevýhoda této metody spočívá v tvarové náročnosti kladené na podložku. Ta musí ve všech místech popisu být v těsném kontaktu s popisovaným povrchem výrobku. Metoda je vhodná pro popis rovinných povrchů. Pro prostorově zakřivený povrch je nutné vyrobit odpovídající podložku a zajistí dokonalý kontakt se značeným povrchem, jinak je značení nekvalitní. Další nevýhodou je opotřebování podložky z přídavného materiálu po odpaření částic materiálu na povrch výrobku. Po každém popisu následuje úprava povrchu podložky z přídavného materiálu. Při odchýlení podložky od popisovaného povrchu výrobku je ovlivněn vzhled, barva a kvalita popisu.

Další nepřímá metoda popisu povrchu transparentního materiálu spočívá v odpařování části přídavného materiálu z tzv. jezdce. Jezdec je destička z přídavného materiálu, kteráje pohyblivá a je nastavena vždy oproti laserovému paprsku. Paprsek laseru prochází skrz popisovaný materiál a je zaostřen na povrch jezdce.

Nevýhoda této metody je v potřebě poměrně složitého speciálního zařízení pro synchronizaci pohybu paprsku laseru s pohybem jezdce, další nevýhodou je stejně jako u předchozí metody opotřebování povrchu jezdce při popisu laserem.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny způsobem povrchového značení materiálu pomocí laserového paprsku s vlnovou délkou λ, při které je materiál značeného výrobku průchozí pro laserový paprsek, a asistentního materiálu, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že značený povrch se na straně odvrácené od zdroje laserového paprsku vloží do vrstvy přídavného materiálu tvořeného práškem, kapalinou nebo kapalnou emulzí, obsahující alespoň jednu složku, která absorbuje záření laserového paprsku, přičemž laserový paprsek prochází skrz materiál značeného výrobku a reaguje s přídavným materiálem, který vytváří na povrchu materiálu značeného výrobku povrchového značení.

Materiál značeného výrobku a/nebo přídavný materiál se s výhodou před a/nebo v průběhu provádění značení vystavuje dodatečnému ohřevu. Od značeného výrobku je možné odvádět vzniklé teplo.

Podstatou vynálezu je rovněž zařízení k provádění výše uvedeného způsobu. Zařízení sestává ze zdroje laserového paprsku s vlnovou délkou kaz nádoby naplněné přídavným materiálem, obsahující alespoň jednu složku, která absorbuje záření laserového paprsku. Nádoba je opatřena prostorem pro umístění značeného výrobku.

Na značený výrobek je možné umístit chladítko pro odvod vzniklého tepla. Ke značenému výrobku a/nebo přídavnému materiálu je s výhodou připojen zdroj tepla pro přívod dodatečného tepla.

Výhodou uvedeného řešení je i to, že odpadá opotřebení povrchu podložky z přídavného materiálu a nutnost úpravy povrchu podložky.

Řešení podle vynálezu nevyžaduje speciální mechanismus ani řídicí systém, jako je tomu například u řešení s jezdcem, kde je nutné synchronizovat pohyb jezdce a pohyb laserového paprsku. Oproti metodě, kde se aplikuje vrstva prášku, kapaliny nebo suspenze na povrch a poté je laserem

- 2 CZ 303934 B6 natavena a spojena s povrchem výrobku, není potřebná u řešení dle vynálezu na povrch nanášet vrstvičku přídavného materiálu o přesně definované tloušťce.

Způsob povrchového značení materiálu pomocí laserového paprsku podle tohoto vynálezu nalezne uplatnění při značení a dekorování povrchu materiálu trvalým, dobře rozeznatelným popisem na povrchu materiálu výrobku. Značený povrch materiálu, který je pro paprsek dané vlnové délky záření průchozí, může být libovolně zakřivený i rovinný. Vytvářený obrazec lze rychle upravovat a jednoduše měnit. Lze popisovat také povrch u vrstveného materiálu výrobku.

Přehled obrázků na výkrese

Vynález bude podrobněji popsán na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je schematicky v nárysu znázorněno provedení vynálezu pro popis tvarových výrobků, kde paprsek laseru prochází jednou stěnou materiálu výrobku. Na obr. 2 je schematicky v nárysu znázorněno provedení vynálezu pro popis tvarových výrobků, kde paprsek laseru prochází dvěma stěnami výrobku a na obr. 3 je znázorněno schematicky v nárysu provedení, kdy je popisována rovinná plocha.

Příklady provedení technického řešení

V prvním příkladu provedení dle obr. 1 je použita metoda popisování laserem libovolně zakřiveného povrchu výrobku nepřímou metodou. Laserový paprsek i ze zdroje např. Nd:YAG o vlnové délce 1064 nm prochází skrz materiál 3 - např. sklo a je zaostřen na popisovaný povrch A, který je v kontaktu s přídavným materiálem 2 - prášek, kapalina nebo suspenze obsahující vhodnou absorpční složku s ohledem na použitý druh laseru, umístěným v nádobě 4. Přídavný materiál je v místě popisu A ozářen paprskem laseru o hustotě energie potřebné k vyvolání reakce mezi přídavným materiálem a popisovaným povrchem výrobku. V tomto případě je přídavný materiál umístěn ve vhodné nádobě.

Popis vznikne tím, že pohyb paprsku laseru je řízený programem. Pohybuje se buď obrobek, nebo celá hlava laseru, nebo se pohybuje paprsek laseru v osách x a y vychylováním zrcátek ve skenovací hlavě. Celý obrazec může být vytvořen řádkováním nebo najednou ozářením povrchu přes masku.

V druhém příkladu provedení dle obr. 2 je ukázán příklad použití metody popisování zakřiveného povrchu výrobku nepřímou metodou, kdy paprsek laseru prochází dvěma stěnami materiálu výrobku. Popisovaný povrch A např. skleněného materiálu 3 ve tvaru válce. Uspořádání demonstruje, že paprsek i laseru může procházet přes více povrchů materiálu výrobku. Laserem popsaný povrch A bude pouze ten, který je v kontaktu s přídavným materiálem 2 a je ozářen paprskem i laseru o hustotě energie potřebné k vyvolání reakce mezi přídavným materiálem 2 a popisovaným povrchem A materiálu 3.

Třetí příklad dle obr. 3 ukazuje použití metody popisování povrchu tenkého výrobku z materiálu 3 nepřímou metodou. Pro odvod tepla z místa popisuje na popisovaný materiál 3 o malé tloušťce položen materiál 5. Uspořádání rovněž demonstruje, že paprsek laseru i může procházet více vrstev materiálu - laserem popsaný povrch A bude pouze ten, který je v kontaktu s přídavným materiálem 2 a je ozářen paprskem laseru i o hustotě energie potřebné k vyvolání reakce mezi přídavným materiálem 2 a popisovaným povrchem A materiálu 3 výrobku.

Pomocí uvedených řešení lze popisovat různě prostorově zakřivené i rovinné povrchy. Druh použitého přídavného materiálu ovlivňuje vzhled, barvu a kvalitu vzniklého popisu. Velikost částic použitého přídavného materiálu ovlivňuje vzhled a kvalitu vzniklého popisu. Přídavný materiál s hrubými částicemi má za následek vznik hrubého popisu, přídavný materiál s jemnými

- J CZ 303934 B6 částicemi má za následek vznik jemného popisu. Množství a tloušťka přídavného materiálu pod značeným povrchem výrobku ovlivňuje vzhled a kvalitu vzniklého popisu. Přídavný materiál může např. obsahovat vhodné pigmenty.

Prášek může být rozpuštěn ve vhodné kapalině a vzniklá suspenze má určitou hustotu. Použitá kapalina a její hustota ovlivňuje vzhled, kvalitu i barvu popisu.

Při popisu může předcházet předehřev materiálu výrobku a/nebo předehřev přídavného materiálu.

Popis doprovází ohřev, popřípadě chlazení materiálu výrobku a ohřev případně chlazení přídavného materiálu. Odvod tepla se realizuje buď přídavnou vrstvou materiálu shodného s materiálem výrobku na protilehlém povrchu oproti popisovanému povrchu materiálu výrobku, nebo ofukováním plynem materiálu výrobku na protilehlém povrchu vůči popisovanému povrchu, nebo aplikací kapaliny na protilehlý povrch vůči popisovanému povrchu. Přídavné chladicí médium musí být také průchozí pro paprsek laseru o dané vlnové délce λ.

Při popisování povrchu materiálu, se kterým paprsek laseru neinteraguje, může paprsek laseru procházet libovolně tlustou vrstvou tohoto materiálu, popř. několika vrstvami, přičemž popis vznikne pouze na povrchu, který je v kontaktu s přídavným materiálem.

Pro tenké tloušťky popisovaných výrobků je vhodné zabezpečit odvod tepla z místa popisu, neboť by mohlo dojít k porušení výrobku.

Popis může být též dosažen natavením přídavného materiálu na popisovaný povrch výrobku. Vzniklý popis je prostorový.

Použitím kombinace různých druhů přídavných materiálů lze dosáhnout různé kvality, barvy a vzhledu popisu v jednom obrazci.

Průmyslová využitelnost

Způsob povrchového popisu výrobků pomocí laserového paprsku podle tohoto vynálezu nalezne uplatnění při popisu a značení a dekorování povrchu materiálu trvalým, kontrastním popisem na povrchu výrobků z materiálu, kterým paprsek laseru o dané vlnové délce prochází. Popisovaný povrch výrobku může být libovolně zakřivený i rovinný. Vytvářený obrazec lze jednoduše a rychle upravovat. Lze popisovat také povrch u vrstveného materiálu, kterým paprsek laseru o dané vlnové délce prochází, aniž by s ním reagoval.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob povrchového značení materiálu pomocí laserového paprsku s vlnovou délkou λ, při které je materiál značeného výrobku průchozí pro laserový paprsek, a asistentního materiálu, vyznačující se tím, že značený povrch se na straně odvrácené od zdroje laserového paprsku vloží do vrstvy přídavného materiálu tvořeného práškem, kapalinou nebo kapalnou emulzí, obsahující alespoň jednu složku, která absorbuje záření laserového paprsku, přičemž laserový paprsek prochází skrz materiál značeného výrobku a reaguje s přídavným materiálem, který vytváří na povrchu materiálu značeného výrobku povrchového značení.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že materiál značeného výrobku a/nebo přídavný materiál se před a/nebo v průběhu provádění značení vystavuje dodatečnému ohřevu.
3. 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že od značeného výrobku se odvádí vzniklé teplo.
4. 4. Zařízení k provádění způsobu podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se t í m , že sestává ze zdroje laserového paprsku (1) s vlnovou délkou λ a z nádoby (4) naplněné přídavným materiálem (2), obsahující alespoň jednu složku, která absorbuje záření laserového paprsku (1), přičemž nádoba (4) je opatřena prostorem pro umístění značeného výrobku.
5. 5. Zařízení podle nároku 4, vyznačující se tím, že na značený výrobek je umístěno chladítko pro odvod vzniklého tepla.
6. 6. Zařízení podle nároku 4 nebo 5, vyznačující se tím, že ke značenému výrobku a/nebo přídavnému materiálu (2) je připojen zdroj tepla pro přívod dodatečného tepla.