DD215776A1 - Verfahren zur herstellung farbiger bilder auf glas - Google Patents
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Abstract
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines hocheffektiven variablen Verfahrens zur Herstellung resistenter farbiger Bilder auf Glasunterlagen. Die Aufgabe besteht in der Entwicklung eines Verfahrens, mit dem Skalen, Dekors und Beschriftungen unterschiedlichster Abmessungen fuer verschiedene Kombinationen von Glaesern und Diffusionsfarben hergestellt werden koennen. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass Diffusionsfarben mittels energiereicher Strahlung, vorzugsweise mittels eines schwachen infraroten Laserstrahles entsprechend den vorgesehenen Konturen des Bildes gleichzeitig mit der Glasoberflaeche erhitzt und konvektiv und durch Diffusion in die Glasoberflaeche eingebracht werden, wobei eine dauerhafte saeure- und laugenfeste, fuer normalsichtige Augen gleichmaessige Farbspur entsteht.
Description
Dr. H. Müller, Neulobeda-Ost I. Geiling, Naumburg Dr. St. Müller, Ilmenau
VEB Kombinat Technisches Glas Ilmenau - Zentrales Büro für Schutzrechte - -
6300 Ilmenau
Postfach 303, ,
IPK : C 03 C, 21/00
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung farbiger Bilder auf Glas unter Verwendung von Diffusionsfarben, vorzugsweise zur Herstellung von Skalen auf Thermometern und anderen Meßgeräten aus Glas sowie von Dekors und Beschriftungen auf Glasartikeln und Glasteilen, die insbesondere in der chemischen Industrie, Nahrungsgüter Industrie u.a. Industriezweigen Anwendung finden.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:
Die Forderung, haltbare Bilder auf Glasunterlagen herzustellen, stellt seit langem ein Problem dar. Für die Herstellung haltbarer Bilder auf Glasunterlagen sind nach den DD-WP 100 928 und DD-WP 101 376 Verfahren bekannt, bei denen durch in die Oberflache eindiffundierende Ionen, z. B. Silber (gelbbraun, bräun) oder Kupfer (rot, schwarz) eine Färbung erreicht wird. Die so erzeugten Kontrast st reifen und vorlagegetreuen Bilder können erst durch das Entfernen der von der Diffusion erfaßten Oberflächenschicht beseitigt werden. Sie sind also gegen normale Ümweltbedingungen , gegen Öle und organische Lösungsmittel, aber auch gegen Laugen und Säuren, die das Glas nicht angreifen, resist ent.
Diese Verfahren besitzen jedoch verschiedene Nachteile:
Die Diffusion der Ionen in die Glasoberfläche ist ein temperatur- ' und zeitabhängiger Prozeß. Außerdem sind Farbe bzw. Tönung und Kontrast der Bilder von der Ladung und Koordination der diffundierenden Ionen abhängig. Somit macht sich neben der Auswahl einer geeigneten Glasmatrix ein meist komplizierter und energieintensiver Prozeß notwendig, dem das gesamte Glasteil unterworfen wird. So erfolgt z.B.
bei silberhalt igen Farben ein Einbrennen bei ca. 480'C (Diffusion) und wenn die Glasmatrix nicht die kontrast verbessernden Arsen- oder Antimon-Iorien beinhaltet, ist gewöhnlich eine reduzierende Nachbehandlung des'Glasgerätes oder -teiles bei ca. 450*C ("Entwicklung") notwendig. Bei Kupfer sind je nach zu erzielender Farbe bis zu drei thermische Behandlungen bei noch höheren Temperaturen erforderlich. Damit werden beim Einbrennen bzw. thermischen Nachbehandeln hohe Forderungen an die Ofenführung gestellt. Die Temperaturen für eine ausreichende Diffusion liegen im Bereich der Transformat ionstemperaturen bzw. sogar der Erweichungstemperaturen der Gläser. Für "normale" Gläser mit tg von 450 ... 550eC und E 600*C kommen nur relativ teure Farben auf Basis'des färbenden Silber-Ions in Betracht.
Eine weitere Einbegrenzung erfahren diese Techniken dadurch, daß die Farben direkt oder indirekt mittels .Siebdruckverfahren aufgebracht werden müssen. Damit ist ihre Variabilität stark eingeschränkt.Für geringe Stückzahlen oder z.B. für Präzisionsskalen,
die auf Basis von Mehrfachkalibrierungen aufgebaut sind, lassen sich diese Verfahren nicht wirtschaftlich einsetzen, da die Umspann- und Einstellarbeiten dominieren. x
Deshalb wird für diese Einsatzfälle weiterhin die Ätztechnik bevorzugt, bestehend aus den Arbeitsschritten
- Einwachsen der Glasteile
- Beschriften (Wachs mit Stichelwerkzeug entfernen)
- Ätzen des freiliegenden Glases z.B. mit Flußsäure
- Entwachsen
- Einbringen der Farbe in die geätzten Vertiefungen und Entfernen
der überschüssigen Farbe - Trocknen der Farbe
Das Ätzverfahren ist trotz Rationalisierung, vor allem des Beschriftens, sehr aufwendig und durch das Ätzen umweltgefährlich unddeshalb mit hohen Sicherheitsvorschriften verbunden.
Diese Nachteile werden nach dem DD-WP 112 941 beträchtliph durch ein Verfahren der Lasergravur beseitigt. Durch Einsatz;mikrorechnergesteuerter Bewegungseinrichtungen bei kommerziellen Beschriftungssystemen können die ersten vier Arbeitsschritte des Ätz Verfahrensrationell zusammengefaßt werden.
Eine weitere Verbesserung erfahren letztgenannte Verfahren dadurch, daß entweder nach dem 3A-PS 49-43 252 eine auf den Glaskörper vorher aufgebrachte Emailfarbe mit dem Laserstrahl unmittelbar nachgeführte'r Farbstoff-Strahl mit der flüssigen Laserspur verschmolzen wird.
Die letztgenannten Verfahren ermöglichen eine hohe Variabilität, die damit erzeugten Bilder sind jedoch im vorgenannten Sinn/fe nicht resistent. Es können nur mechanisch und chemisch instabile lufttrocknende Farben bzw. Schmelzfarben der N-Reihe (N=nichtresistent) für die "normalen" Gläser verwendet werden.
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem diese Nachteile beseitigt und mit höchster'Effektivität farbige re-
sistente Bilder hergestellt werden, wobei' ökonomisch günstige Färb kombinationen angewendet werden.
Darlegung des We sens der Erfindung:
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung resistenter farbiger Bilder auf Glas zu entwickeln,mit dem Skalen, Dekors und Beschriftungen unterschiedlicher, häufig wechselnder, extremer Abmessungen unter Verwendung verschiedener, auch für bestimmte Glasarten bisher nicht anwendbarer Diffusionsfarben hergestellt werden und mit dem außerdem unterschiedliche Farbgebungen möglich sind. '
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verfahren zur Herstellung farbiger Bilder auf Glas dadurch gekennzeichnet ist, daß gleichmäßig über die gesamte Fläche des Bildes auf das Glas auf getragene Diffusionsfärbe mittels energiereicher fol^ussierter Strahlung, vorzugsweise mittels infraroter Laserstrahlen durch eine gesteuerte Relativbewegung von Laserstrahl zu Glasob'erfläche entsprechend den vorgesehenen Konturen des Bildes, gleichzeitig mit der Glasoberfläche lokal erhitzt wird. Dabei wird die Glasoberfläche aufgeschmolzen und die Diffusionsfarbe konvektiv in das ge- schmolzene Glas eingemischt. Erfindungsgemäß werden durch die Erhitzung Farbionen sofort und auch nach dem Weiterlaufen des Laserstrahles bis zu Abkühlung des GIa,ses im Bereich der thermischen Nachwirkung aus der Diffusionsfarbe in die Glasoberfläche diffundiert, so daß sie eine für normalsichtige Augen gleichmäßige und dauerhafte Farbspur ohne Gravuren oder sonstige Schädigungen des Glases hinterlassen. '
Für das Verfahren eignen sich nur Kompositionen mit diffusionsfähigen und färbenden Ionen, Schmelzfarben auf Glasurbasis sind ungeeignet. Es werden normalerweise die für den Siebdruck geeigneten Farben, verdünnt und gleichmäßig auf die Glasoberfläche aufgetragen Der Laserstrahl fährt die Konturen de.s zukünftigen Bildes ab. Die Bilddaten sind vorzugsweise in einem Mikrorechner gespeichert, der einen Kreuztisch plus eine Laserstrahl-Ausbleηdvorrichtung bzw. ein Spiegelablenksystemplus Ausblendung steuert.
Die teilweise mit der Farbe in die Laserspur konvektiv eingemischten organischen. Farbbestandteile sorgen für reduzierende Bedinq-
· "i .
ungen. Die Vorteile des Verfahrens bestehen auch darin, daß durch eine optimale Einstellung von Laserleistung und Vorschub garantiert wird, daß das Glas nicht verdampft, daß keine Bruchstücke aus der Glasoberfläche herausgerissen werden und daß keine Haarrisse ins Glasinnere auftreten. Das vom Laserstrahl aufgeheizte und ge- ^ schmolzene Glas behält aufgrund seiner schlechten Wärmeleitfähig-
. keit relativ lang eine hohe Temperatur bei. Die anfangs sehr hohe Diffusionsgeschwindigkeit der färbenden Ionen in der aufgeheizten Laserspur garantiert, daß die anfänglich durch Konvektion erzeugte
' ' ν
ungleichmäßige Einmischung der Farbe am Ende des Prozesses eine für normalsichtige Augen gleichmäßige Farbspur ergibt. Diese erscheint in ihrer endgültigen Form nach dem Entferenen der überschüssigen Farbe . ,
Desweiteren ist, das Verfahren dadurch gekennzeichnet; daß die Glasoberfläche durch den infraroten Laserstrahl lokal auf Temperaturen über der Erweichungstemperatur des Glases erhitzt wird und die Färb ionen mit Temperaturen der merklichen Diffusion oberhalb des Transformationsbereiches des Glases in die Glasoberfläche eingebracht werden können. Damit ist es möglich, auch auf Gläser mit niedriger Transformations- und Erweichungstemperatur farbige, resistente Skalen, Beschriftungen oder dekors mit solchen Farben aufzubringen, die eine hohe Diffusionstemperatur besitzen, ohne dabei die Glasgeräte bzw. Gegenstände zu deformieren. Dadurch ist ein Ersatz des teuren Silbers gegeben. Desweiteren ist das Verfahren auch dadurch gekennzeichnet , daß die Herstellung von mehrfarbigen Bildern in einem Hauptverfahrensschritt möglich ist, indem mehrere Diffusionsfarben gleicher oder unterschiedlicher Dif- fusionstemperaturen gleichzeitig auf die Glasoberfläche aufgetragen
und mittels des infraroten Laserstrahls in einem Verfahrens sehri11 > eingebracht werden.
Das Verfahren läßt sich sowohl auf Flachglas wie auch auf Rundmaterial durchführen. Bei geringer Strahldivergenz ist bei letzterem weder ein Abrollen wie beim Siebdruck noch eine Fokusnachführung
(z-Koordinaten-Einstellung) notwendig.
Außerdem ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet , daß der Laserstrahl· bei mit aufgebrannten Schmelzfarben, vorzugsweise mit bleihaltigen Schmelzfarben, beschichteten Glas unterlagen den Oxida-,5 tionszustand der färbenden Ionen lokal ändert und dabei eine andersfarbige, aber nach o.g. Definition nichtresistente Spur erzeugt. Dabei werden Brennspuren durchReduktion oder andere chemische Umsetzungen von meist Schwermetallen erhalten.
Vorzugsweise werden mit bleihaltigen Schme1 ζfar ben der Reihe ΝΙΟ weiß schwarze Spuren erzeugt. Beim Einsatz derartiger beschichteter Gläser, den sogenannten Substitutionsgläsern,· ist es mit Hilfe der Lasertechnolögie möglich, bei Präzisionsskalen das teure Trübflach glas (Milchglas) zu ersetz en. '
Desweiteren ist es mit dem erfindungsmäßigen Verfahren auch möglieh, daß der Laserstrahl bei bereits eingefärbten Gläsern den Oxidationszü stand, die Koordination oder Verteilung der Farbionen ·, lokal ändert und eine andersfarbige Spur erzeugt, so daß farbige Bilder auf Farbglas hergestellt werden können.
Ausführungsbeispiele: v
Die Erfindung soll nachfolgend an mehreren Beispielen erläutert we rden:
l.Die Herstellung einer Präzisionsskale auf Trübflachglas weiß, für ein Thermometer:
Der gereinigte Skalenträger aus Trübflachga 1s kommt entweder mit sämtlichen Kalibriermarken oder mit einer Basis- bzw.1 Startmarke und den Daten über die restlichen Marken zu einer Laseranlage . Der physikalische Zusammenhang, d.h. die Funktion der Teilstrichabstände ist als sogenannte '.'Mutterskale" für die jeweilige Gerate- bzw. Thermometerart in einem Rechner eingegeben. Mit Hilfe von_Schnellwechselmagazinen wird der zu bearbeitende Skalenträger nach dem Einjustieren des Basispunktes und dünnem
Einstreichen mit verdünnter siebdruckfähiger Diffusionsfarbe, ζ. Β. mit silberhaltiger "Gelbätze", auf einen x-y-Bearbeitungstisch gebracht. Anschließend werden die Abstände der Kalibriermarken in den Rechner eingegeben und das entsprechende Skalenprogramm gestartet. Während der Laser einenBlock von Skalen bearbeitet , wi rd das nächste Schnei lwech sel-magazin vorbereitet und auch die Daten werden bereits eingespeichert. Damit werden die die Ökonomie des Verfahrens mitbestimmenden Leerlaufzeiten des Lasers minimiert. Wird für dieses Beispiel ein CO?-Laser im c-w-Betrieb verwendet, so reicht für die übliehe Strichbreite eine Leistung unter 10 W an der Werkstückoberfläche aus . Dadurch werden eine Gravur des Glases oder andere Schädigungen, wie sie z. B. bei anderen Laserverfahren mit weitaus höheren Outputleistungen zu befürchten sind, nahezu ausgeschlossen. Wird ein Laser im MuItimodenbetrieb verwendet, ist trotz der Leistungsminderung durch die Fokussieroptik eine. Laserau s.gangsleistung von ca. 10 W ausreichend.. Damit wird die Glasoberfläche durch den Laserstrahl nur aufgeschmolzen, die Diffusionsfarbe wird mit dem aufgeschmolzenem Glas vermischt, gleichzeitig setzt die Diffusion der Farbionen ein, die infolge der Wärmespeicherung im aufgeschmolzenen
20' Glas auch nach dem Entfernen des Laserstrahles noch eine bestimmte Zeit anhält. Dadurch werden Diffusionswege erzielt, die zu einer gleichmäßigen Verteilung der Farbionen entlang der Laserspur führen. Statt des CO -Lasers mit einer Wellenlänge von ca. 10 pm kann ζ . B. auch ein Nd-YAG-Laser mit 1,06 pm angewendet werden.
Nach der Laserbear beitung wird die überschüssige Diffusioηsfarbe zurückgewonnen, ζ. Β. durch Ablösen,.Abstreifen oder Abwischen.
2. Das Aufbringen einer -Skale auf Rundmaterial aus Geräteglas mit niedriger Erweichungstemperatur mittels Kupfer-Diffusionsfarbe, vorzugsweise auf eine Meßküvette ο der -pipette:
Das Verfahren wird mit den gleichen Verfahrensschritten wie unter Pkfc. 1 durchgeführt. Voraussetzung für den Wegfall eines Drehmechanismus oder einer z-Koordinatenfuhrung ist entweder die Anwendung eines YAG-Lasers oder eines CO -Lasers mit geringer Divergenz
(Monomodenbetrieb; Optik mit großer Brennweite o.a.)·
3.Das Aufbringen einer Präzisionsskale auf "Substitutionsglas", einem mit weißer bleihaltiger Emaille beschichtetem Glas:
Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen 1. und 2. wird die Glas-5 oberfläche nicht mit Diffusionsfarbe bestrichen. Durch das Aufschmelzen der Emailleschicht mit Hilfe des Laserstrahles treten die Bleiionen lokal in der Laserspur mit der Atmosphäre in Wechselwirkung und werden dabei teilweise reduziert, wodurch die vom Laserstrahl abgefahrene Spur gleichmäßig schwarz wird. Vorteilhafter Weise wird ein YAG-Laser verwendet, mit dem hierbei feinste Spuren mit sehr gutem Kontrast erzielt werden. Ansonsten wird der Verfahrensablauf, wie unter Beispiel 1 beschrieben, durchgeführt;
Claims (4)
- Erfindungsanspruch:1. Verfahren zur Herstellung farbiger Bilder auf Glas, gekennzeichnet dadurch, daß- eine Diffusionsfarbe gleichmäßig über die gesamte Fläche des vorgesehenen Bildes auf die Glasunter lage auf ge tragen- mittels energiereicher fokussierter Strahlung, vorzugsweise
mittels eines infraroten kontinuierlichen Laserstrahl es von1 bis 2 0 W durch eine gesteuert« Relativbewegung von Laserstrahl
zu Glasoberfläche entsprechend den vorgesehenen Konturen des BiI-des gleichzeitig mit der Glasoberfläche erhitzt
„ - dabei konvektiv in die geschmolzene Glasoberfläche eingemischt,wobei ihre Farbionen sofort und danach im Bereich der thermischen Nachwirkung in das Glas diffundieren und- als für normalsichtige Augen gleichmäßige und dauerhafte Farbspur ohne Gravuren oder sonstige Schädigungen des Glases auf der Glasoberfläche sichtbar wird. - 2. Verfahren nach /Punkt/ 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Glasoberfläche lokal auf Temperaturen über der Erweichungstemperatur
des Glases erhitzt wird und die Farbionen mit Temperaturen dermerklichen Diffusion oberhalb des Transformationsbereiches des
Glases in die Glasoberfläche eingebracht werden. - 3. Verfahren nach /Punkt/ 1. und 2 . , dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Diffusionsfarben gleicher oder unterschiedlicher Temperaturen der merklichen Diffusion gleichzeitig auf die Glasoberflächeaufgetragen und mittels infraroten Laserstrahles bei gleichen
Verfahrensparametern eingebracht werden. - 4. Verfahren nach /Punkt/ 1.. dadurch gekennzeichnet , daß auf mit
eingebrannten Schmelzfarben vorzugsweise mit bleihaltigen Sch.melz-farben, beschichteten Glasunterlagen mittels infrarotem Laserstrahles der Oxidationszustand der Farbionen lokal geändert und eine
andersfarbige Spur erzeugt wird.S.Verfahren nach /Punkt/ 1 . , dadurch gekennzeichnet, daß auf. bereits eingefärbten Gläsern mittels infrarotem Laserstrahl der Oxidationszustand , die Koordination oder die-Vertei1ung der Farbionen lokalgeändert und eine andersfarbige Spur erzeugt-wird.
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