JPH09207384A

JPH09207384A - レーザインプリンティング方法

Info

Publication number: JPH09207384A
Application number: JP9014900A
Authority: JP
Inventors: Daniel J Budnik; ジェイブードニックダニエル; David A Condit; エイコンディトディヴィッド
Original assignee: Otis Elevator Co
Current assignee: Otis Elevator Co
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1997-01-29
Publication date: 1997-08-12
Also published as: US5919853A; CN1165753A; FR2744066A1; US5851335A

Abstract

(57)【要約】【課題】被加工片にレーザによってマークまたはイン
プリントする方法、それによって得られる物品、及びそ
れに使用される組成を提供する。【解決手段】被加工片にインプリントする方法は、凹
みまたは他の開口を作成する段階と、レーザ溶融可能な
ポリマ材料を凹み内に堆積させる段階と、凹み内に材料
を溶融させるように材料を照射する段階とを含む。好ま
しくは、レーザ溶融可能なポリマ材料は、近赤外スペク
トルにおいて溶融可能のものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物品または他の被
加工片にマーキングすることに関し、詳しく述べれば、
被加工片のレーザマーキングまたはレーザインプリンテ
ィング方法、またそれによって製造された物品及びそれ
に使用される組成に関する。

【０００２】

【従来の技術】文章及び図形を金属、プラスチック、
木、または合成片に転写するには、一般的には機械的な
彫刻（それに続く塗料の充填）または表面塗装によって
行われている。金属物品を機械的に彫刻し、それに続い
て塗料を充填するのは、単調な多段階プロセスであるこ
とが多い。典型的には、(i) ハードツール彫刻システム
を使用して物品に彫刻し、(ii)ばり取りし、洗浄し、そ
して乾燥させ、(iii) 溶剤をベースとする塗料か、また
は粉末塗料で充填し、(iv)炉内で硬化させ、そして(v)
彫刻した領域の外側に堆積した過剰塗料を洗浄により除
去する。殆どの機械的彫刻システムは平坦な表面を彫刻
することに制限されている。更に機械的カッタの強度の
限界から、それらの最小直径が、従ってそれらのストロ
ーク幅が制限される。多くの場合、金属、特に高ニッケ
ル合金鋼は処理速度を遅くし、切削流体を使用する必要
である。これらの流体を使用すると、塗装の前に洗浄が
必要になる。塗料充填プロセスは、特に複雑な図形の場
合には極めて困難になり得る。塗料を炉で硬化させた後
になって場所違いまたは過充填を除去して綺麗にするに
は相当な努力を必要とするので、この段階で塗料を配置
することが極めて重要である。鏡面仕上げされたステン
レス鋼または黄銅のような若干の金属は極めて容易にか
き傷ができるので、塗料充填及び洗浄動作中にこれらの
表面を損傷しないように特別な注意を払わなければなら
ない。

【０００３】時間はかかるが、機械的に彫刻した文章及
び図形は耐久性と恒久性を有している。着色塗料を充填
すると最終製品の耐久性は長く、美的に快いものにな
る。表面塗装は、シルクスクリーンまたはインクジェッ
ト技術を使用して被加工片上に文章及び図形を転写する
ことを含む。表面塗装は、極めて迅速に、そして全色範
囲で行うことができる。しかしながら、多くの場合、エ
レベータかご内部のマーキングのような長期の磨耗に対
して要求される耐久性及び恒久性に欠けることは、重大
な欠陥を構成しているものと考えられる。近年になっ
て、金属、プラスチック、合成物、または木のような材
料の機械的彫刻及び表面塗装の代替として、レーザ彫刻
及びレーザマーキング技術が開発された。普通のレーザ
彫刻システムは、例えばＮｄ・ＹＡＧレーザ、またはＣ
Ｏ₂レーザの何れかを使用する。ガルバノメータ駆動電
動機配列またはＸ−Ｙガントリ配列が、集束されたレー
ザビームを被加工片表面上で舵取りする。

【０００４】レーザ彫刻システムは、それらのストロー
ク幅（ 0.003”−0.010 ”）が狭いので、特に複雑な彫
刻のための、及び適度に起伏した表面を彫刻するための
融通のきく彫刻ツールとして十分に動作する。レーザ彫
刻は非接触プロセス（方法）であるので、ツールの磨耗
及び再成形、ツールの破損、切削冷却材及び部品取付け
のような機械的彫刻に伴う問題は排除される。更に、既
知のレーザ彫刻システムを使用すれば比較的迅速に部分
彫刻が可能である。しかしながら、たとえ既知のレーザ
彫刻システムを使用したとしても、ステンレス鋼または
黄銅のような稠密な材料内に深く彫刻するには重大な制
限が存在する。例えば再溶融金属が構成されるために、
深さに伴ってエッジの明確さが徐々に劣化する。事後に
塗料を充填するためには、約 0.010”（± 10 ％）の最
小深さが必要である。このためには、塗料を充填する前
に、彫刻した領域のばり取り及び清浄が必要になる。普
通の機械的彫刻よりも困難なのは、レーザ彫刻の後の塗
料充填である。この動作は、塗料の塗布、塗料の硬化、
及び過剰塗料の除去を含み、これらは全て仕上げられた
表面を損傷させることなく遂行する必要がある。液体塗
料に比して、粉末塗料は使用が容易であるが、典型的に
は総合塗料充填動作は複雑で多段階のプロセスである。

【０００５】表面塗装、または塗料充填と組合される彫
刻（機械的、またはレーザ）の代替としてレーザマーキ
ングが存在している。このマーキングは、レーザビーム
が材料表面に衝突する点に発生するコントラストに依存
している。良好なコントラストを得るために、光沢のあ
る金属表面上に暗い茶色または黒色の酸化物を発生させ
るように、または前処理されたパネルから着色された酸
化物または塗料を除去して明るいコントラストの下地を
露出させるように、レーザ出力を最適化することができ
る。多くの応用に対して、レーザマーキングは良好に動
作する。しかしながら、シルクスクリーニングまたはイ
ンクジェット印刷技術の場合のように、マークの耐久性
または恒久性に限界があるために、公知のレーザマーキ
ング技術を、例えばエレベータかご内部マーキングのよ
うな応用に使用することは実効的に排除される（何故な
らば、これらのマーキングは、例えばエレベータの乗客
の手によって頻繁に接触されて研磨されるからであ
る）。更に光沢のある金属上の表面マーキングを斜めか
ら見た時にはコントラストが失われるために、エレベー
タシステム応用に対して公知のレーザマーキング技術を
適用することは、別の問題をもたらすものと考えられ
る。若干の公知のレーザマーキングシステムの詳細に関
しては、例えば 1992 年にフロリダ州オーランドの Con
trol Laser Corporationから刊行された " Industrial
Strength Laser Marking : Turning Photonsinto Dolla
rs " を参照されたい。

【０００６】

【発明の開示】本発明による方法は、金属、プラスチッ
ク、合成物、または木を含む多くの型の材料に文章及び
図形をインプリントするために使用される。本方法は、
典型的に機械的彫刻に伴う耐久性及び恒久性をもたら
し、通常の表面塗装技術に伴う速さ、コントラスト、及
び色の柔軟性を提供する。本発明のレーザインプリンテ
ィングプロセスは、先ず浅く彫刻するツールとして、次
いで先に彫刻された領域内へ微粉末化した充填材料（例
えば、適当なポリマ材料）を溶融させるための集束され
た熱源として変更された（後述）普通のレーザマーキン
グシステムを使用する。例えば、ポリエステルまたはエ
ポキシ充填材料が使用される。レーザエネルギによって
充填材料は極めて局部的に加熱され、硬化するので、塗
料充填を伴う普通の機械的及びレーザ彫刻プロセスに伴
う単調な塗布、炉硬化時間、及び事後洗浄が排除され
る。従って、本発明の方法による被加工片処理時間は大
幅に短縮され、恒久的な美的に快いマーキングを発生す
る能力が強調される。最後に、上述した公知マーキング
プロセスでは使用されている全ての処理流体を使用しな
いので、本発明の方法は有害な排出物を実質的に減少さ
せる。

【０００７】本発明の好ましい実施例によれば、被加工
片にインプリントする方法は、被加工片を準備する段階
と、被加工片をレーザで照射して凹みを作成する段階
と、レーザ溶融可能な材料を凹み内に堆積させる段階
と、材料を凹み内に定着させるように材料をレーザで照
射する段階とを含む。本発明の主目的は、効率的な手法
で被加工片にインプリントすることである。本発明の別
の目的は、耐久性及び恒久性を向上させたインプリント
を有する被加工片を生成することである。本発明のさら
なる目的は、被加工片内に凹みを作成し、被加工片内に
着色された充填材料を溶融させるためにレーザが放出
（放射）するエネルギを使用することである。

【０００８】本発明の更に別の目的は、充填材料として
のレーザ溶融可能な化学組成を提供することである。本
発明の更に別の目的は、被加工片のレーザインプリンテ
ィング中に、有害な排出物の生成を減少させることであ
る。本発明の他の目的は、以下の添付図面に基づく詳細
な説明から明白になるであろう。

【０００９】

【実施例】本発明による好ましい方法を図１（段階Ａ−
Ｄ）に、またこれらの段階に対応する被加工片（Ｗ）の
状態を図２の（Ａ）−（Ｄ）に斜視図で示す。コンピュ
ータ制御レーザは、図形または文章を被加工片Ｗ内に彫
刻する。被加工片は、例えば、金属、プラスチック、
木、または合成物で形成され、テーブル１４上に配置さ
れる。図１の段階Ａ及びＢ、図２の（Ａ）及び（Ｂ）、
及び図３を参照する。彫刻の浅い深さ（例えば、１−５
ミル）は、材料のマークまたはインプリントに要求され
る恒久性によって決定される。彫刻される領域の形態ま
たは表面の粗さは、その後のポリマ溶融のための適当な
「ベッド」を提供するように合わされる。例えば、彫刻
されたチャネルＣ（図２の（Ｂ））または他の凹みは、
溶融段階Ｄ中にチャネルＣ内に層Ｌとして定着されるポ
リマ材料Ｐが充填される付加的な保持面積を得るよう
に、クロスハッチされる（図示してない）。代替とし
て、段階Ｂにおいてレーザビームを制御し、彫刻される
表面に凹み（図示してない）を作ってポリマの「根」
（図示してない）を形成させ、溶融させるポリマ材料を
より確実にアンカーさせることができる。

【００１０】段階Ｃにおいては、段階Ｂにおいて彫刻し
た文章または図形内に、レーザ溶融可能なポリマ材料
（例えば、粉末）Ｐの薄い層を配置、または堆積させ
る。粉末は手動で配置されるが、分配システム１８によ
って自動的に堆積させることもできる。例えば約１×10
^-6ｍの波長を有する例えば近赤外レーザ（Ｎｄ・ＹＡ
Ｇ）光エネルギを吸収して溶融するように、黒色または
他の着色されたポリマ粉末Ｐが調合される。粉末の各微
粒は例えば約１×10^-6ｍの平均直径を有し、ポリマ粉末
Ｐの薄い層は例えば約３ミルの平均深さを有している。
レーザビームは、彫刻された文章または図形内の粉末ポ
リマを溶融させるようにセットされたレーザパラメタを
用いて、彫刻された文章または図形を再追跡するように
制御される（段階Ｄ）。レーザビームの極度に局所化さ
れたエネルギが、彫刻された領域内の粉末ポリマだけを
溶融させる。この溶融により、溶融されたポリマ層Ｌが
形成される（図２の（Ｄ））。オプションとして、１回
目の再追跡が完了した後に、先に溶融させたポリマ材料
にポリマ粉末Ｐの別の層を追加し、段階Ｃ及びＤを繰り
返す。彫刻された図形または文章領域内の溶融した材料
に所望の深さｄが得られるまで、この手順を続行する。
図２の（Ｄ）を参照されたい。一つの好ましい黒色ポリ
マ粉末は、以下の化学的組成を有している。＊ Xerox Corporationから Xerox 5760/65/90 トナーと
して市販されているマイナ部分。 − ポリエステル：R₁-[R₂ COO] _nR₃ − カーボンブラック：C − 二酸化チタン：TiO₂ ＊ Oasis Imaging Products からOasis Sierra EX トナ
ーとして市販されているメジャー部分。 − アクリル酸スチレンポリマ：R₁-[CH₂CH₂(C₆H₅)] _x
-[CH₂CH(COOR₂)] _y-R₃ − 酸化鉄：Fe₃O₃ − ポリオレフィン：R₁-[CH₂CHR₂]_n-R₃ − シリカ：SiO₂ 粉末Ｐの一つの好ましい実施例では、組成は Xerox 576
0/65/90 トナーをマイナ成分とし、Sierra EX トナーを
メジャー成分とする混合体を含む。マイナ成分は、全混
合体の５乃至 20 重量％であることが好ましい。前者の
トナーは高光沢仕上げを発生し、後者のトナーは半光沢
仕上げを発生する。従って、Xerox トナーの割合を増加
させると、光沢仕上げの程度が増加する。所望の文章及
び／または図形の全てをレーザインプリントした後、仕
上がった物品を取り外す前に、溶融していない過剰のポ
リマ粉末を（例えば、図示してないブラシまたは真空吸
引によって）除去する。仕上がった被加工片（物品）を
生成する合計時間は、インプリンティングの複雑さに依
存して、本発明では分単位であるが、これは普通の彫刻
技術が必要とする時間単位とは対照的である。

【００１１】本発明による方法の、さらなる好ましい実
施例は、例えば以下の段階１−９を含む。１．インプリントされる被加工片Ｗをレーザインプリン
ティングシステム内に配置する（図３）。２．被加工片内に文章の凹み及び図形の凹みが得られる
ように、レーザ電源１０のパラメタ及びレーザビーム走
行速度をセットする。オプションとして、応用の要求に
応じた彫刻の深さを得るために、多重レーザパスを遂行
する。３．彫刻した領域の清浄動作（例えば、ばり取り）を遂
行するように、レーザ電源１０のパラメタ及びレーザビ
ーム走行速度をセットする。彫刻した領域全体に清浄パ
スを遂行する。この清浄動作によって、彫刻した領域か
ら過剰な再鋳造材料（例えば、金属）を除去する。４．彫刻した領域に所望の表面形態を作成するために、
レーザ電源１０のパラメタ及びレーザビーム走行速度を
セットする。彫刻した領域全体に表面準備パスを遂行す
る。表面形態または粗さは、レーザ溶融可能な充填材料
の所望の「根」が得らるようにセットする。５．彫刻した領域から材料屑を除去するために、高圧
（例えば、約 75 ｐｓｉ）の所望の圧縮ガスまたは他の
流体（例えば、空気、または窒素のような不活性ガス）
で被加工片上の彫刻した領域を処理する。材料屑は、彫
刻した領域に充填材料を付着させる恐れがある。６．例えば、ポリマ塗布ユニット（図３及び図４のポリ
マ分配システム）を使用して、彫刻した領域全体に充填
材料の薄い層を（例えば、散布によって）堆積させる。７．着色用充填材料を溶融させるように、レーザ電源１
０のパラメタ及びレーザビーム走行速度をセットする。
彫刻した領域全体に溶融パスを遂行する。８．オプションとして、所望の充填の厚み／深さｄに達
するまで上記段階６．及び７．を繰り返す。９．溶融が完了した後に、再び清浄にするために被加工
片から過剰充填材料を( 例えば、ブラシまたは真空吸引
によって) 除去する。次いで、被加工片を水または他の
適切な流体ですすぎ、乾燥させる（例えば、流体を拭き
取る）。これでさらなる好ましい実施例の被加工片をイ
ンプリントする方法が完了する。上述した本発明の好ま
しい、またはさらなる好ましい方法を実施するための好
ましいレーザインプリンティングシステムの構成要素を
図３に示す。参照番号１０は、コンピュータ制御Ｎｄ・
ＹＡＧまたはＣＯ₂レーザ電源である。被加工片及び充
填材料に所望の処理を行うために、電源の特定パラメタ
（例えば、平均電力、ピーク電力、パルス周波数、１ま
たは複数のレーザビーム出力モード、集束されたスポッ
トサイズ）が選択される。参照番号１２は、コンピュー
タ制御レーザビーム舵取り装置である。１２．１は、ガ
ルバノメータ駆動Ｘ及びＹビーム舵取り鏡であり、レー
ザビームは平らな視野レンズシステムを通して集束され
る。１２．２は、Ｘ−Ｙガントリ型の鏡運動光学要素で
ある。１２．３は、固定レーザビーム送給光学系であ
り、被加工片はコンピュータ制御Ｘ−Ｙテーブル１４を
介して運動させられる。参照番号１４は、被加工片を操
縦するためのコンピュータ制御Ｘ−Ｙテーブルである。
参照番号１６は、気化した材料のための蒸発気抽出及び
処理中の蒸発気除去コンピュータ制御システムである。
参照番号１８は、コンピュータ制御ポリマ分配システム
である。参照番号２０は、蒸発気閉じ込め及びレーザ安
全用外囲である。参照番号２２は、例えば、図１の段階
Ｂ、Ｃ、及びＤを遂行するソフトウェアを含むインプリ
ンタ動作のための操作員インタフェース及び応用ソフト
ウェアである。このソフトウェアは、制御コンピュータ
２４のメモリ内に普通の技法で適当に格納されている。

【００１２】参照番号２４は、ＣＰＵ、メモリ（ＲＡ
Ｍ、ＲＯＭ、等）、Ｉ／Ｏポート、バス、入力デバイス
（例えば、キーボード、マウス）、及び出力デバイス
（例えば、表示装置、プリンタ）を含む制御コンピュー
タである。コンピュータ及びレーザマーキングの分野に
精通していれば、以上の説明からレーザビーム、テーブ
ル、蒸発気抽出システム、及び充填材料分配システムを
適切に制御して段階１−９の全てを遂行するか、または
本発明のその他を実現するためのソフトウェア、及び他
の適切な命令及びデータをコンピュータ２４のメモリ内
に適当に符号化して格納することができよう。例えば、
ポリマ（充填材料）分配システム（図３、４、５）は容
易に製造され、General Scanning, Inc.によって製造、
販売されている Hi-Mark 400 ＹＡＧレーザマーキング
システムと合体させることができる。次いでこのシステ
ムを適当にプログラムし、本発明の何れかの、または全
ての段階、特に、化学的結合及び／または充填材料をレ
ーザ照射することによる物理的取付けによって、凹み内
に充填材料を定着させる段階Ｄ（図１）を直接的に遂行
させる。

【００１３】本発明は、ステンレス鋼の被加工片にイン
プリントし、前述した組成を有する溶融可能なポリマ材
料を使用する場合に、以下のレーザパラメタ（ビーム電
力、ビーム走行速度、等）が特に有用であることを見出
した。＊彫刻の場合：23Ｗ、パルスレート 15 ｋＨｚ、ビーム
走行速度 240ｍｍ／秒、＊溶融の場合：１Ｗ、パルスレート 50 ｋＨｚ、ビーム
走行速度 240ｍｍ／秒。これにより約３ミルの深さを有する凹みが得られる。溶
融された充填材料Ｐの深さは、約３ミルであった。以上
に本発明をその最良モード実施例に関して説明したが、
当業者ならば、本発明の思想及び範囲から逸脱すること
なくその形状及び細部にさまざまな変更、省略、及び追
加を行い得ることが明白であろう。例えば、充填材料は
適当な乾燥した塗料、または適当な液体塗料であってさ
えよく、レーザ源はレーザ媒質として適当な結晶、ガ
ス、ガラス、液体、または半導体を含むことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による好ましい方法の高レベル論理流れ
図である。

【図２】（Ａ）は被加工片Ｗを、（Ｂ）は凹みまたはチ
ャネルＣを有する被加工片Ｗを、（Ｃ）はチャネルＣ内
に配置されたレーザ溶融可能な充填材料Ｐの量または薄
い層を、そして（Ｄ）はチャネル内の充填材料Ｐをレー
ザで溶融させることによって形成された層Ｌを、それぞ
れ示す斜視図である。

【図３】本発明の一つの好ましい面による充填材料分配
システムを含むように変更した普通のレーザマーキング
システムの概要図である。

【図４】図３の充填材料分配システムの側面図である。

【図５】図３の充填材料分配システムの平面図である。

【符号の説明】

１０レーザ電源１２コンピュータ制御レーザビーム舵取り装置１４テーブル１６蒸発気抽出コンピュータ制御システム１８コンピュータ制御ポリマ分配システム２０外囲２２操作員インタフェース及び応用ソフトウェア２４制御コンピュータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ディヴィッドエイコンディトアメリカ合衆国コネチカット州 06001 エイヴォンロックリッジドライヴ 45

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工片にインプリントする方法であっ
て、被加工片を準備する段階と、上記被加工片をレーザで照射して凹みを作成する段階
と、レーザ溶融可能な材料を上記凹み内に堆積させる段階
と、上記材料を上記凹み内に定着させるように上記材料をレ
ーザで照射する段階と、を備えていることを特徴とする
方法。
【請求項２】上記材料をレーザで照射する段階は、上
記被加工片内に材料を溶融させるように上記材料を照射
することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】上記材料をレーザで照射する段階の後
に、過剰なレーザ溶融可能な材料を上記被加工片から除
去する段階を更に備えている請求項２に記載の方法。
【請求項４】請求項１の方法に従って製造された被加
工片。
【請求項５】上記被加工片は、凹みを有する金属下地
と、上記凹み内に配置されたポリマ材料とを含む請求項
４に記載の被加工片。
【請求項６】上記凹みは細長いものである請求項５に
記載の被加工片。
【請求項７】上記ポリマ材料は、ポリエステルを含む
ものである請求項５に記載の被加工片。
【請求項８】上記ポリマ材料は、エポキシを含むもの
である請求項５に記載の被加工片。
【請求項９】ポリエステル、カーボンブラック、及び
二酸化チタンを含むマイナー成分と、アクリル酸スチレンポリマ、酸化鉄、ポリオレフィン、
及びシリカを含むメジャー成分と、からなることを特徴
とするレーザ溶融可能な組成。
【請求項１０】上記マイナー成分は、上記組成の約５
％乃至約２０％の範囲内にある請求項９に記載の組成。
【請求項１１】上記組成は、近赤外スペクトルにおい
て溶融可能である請求項９に記載の組成。
【請求項１２】被加工片にインプリントする方法であ
って、被加工片を準備する段階と、上記被加工片をレーザで照射してチャネルを作る段階
と、レーザ溶融可能な塗料を上記チャネル内に配置する段階
と、上記塗料を上記チャネル内に定着させるように上記塗料
をレーザで照射し、次いで過剰塗料を上記被加工片から
除去する段階と、を備えていることを特徴とする方法。
【請求項１３】上記塗料をレーザで照射する段階は、
上記塗料を近赤外エネルギで照射することを含む請求項
１２に記載の方法。