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Die Erfindung betrifft ein Produkt
aus Glas oder einem anderen transparenten, glasartigem Werkstoff
sowie ein Verfahren zur Inspektion einer Eigenschaft einer in einem
solchen Produkt aus Glas befindlichen Substanz.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene
Verfahren zum Markieren oder Beschriften von Glas bekannt. Beispielsweise
werden Markierungen oder Beschriftungen mittels eines selbstklebenden, transparenten
Films, der eine Aufschrift trägt,
auf das Glas aufgebracht. Ferner ist es bekannt, Glas mittels Laserstrahlen
zu markieren oder zu beschreiben:
Aus der
DE 44 07 547 C2 ist ein
Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus transparentem Material mit
einer Markierung im Inneren des Körpers bekannt, bei dem sich
im Inneren des Körpers
ein begrenzter räumlicher
Bereich befindet, in dem durch Laserstrahlung punktförmige Mikrorisse
gebildet werden. Die Mikrorisse weisen einen solchen Durchmesser
auf, dass sie mit dem freien Auge sichtbar sind.
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Aus der WO 92 / 03297 A1 (=
DE 41 266 26 C2 )
ist ein Verfahren zum Versehen eines Materialkörpers aus Glas oder Kunststoff
mit einer unter der Oberfläche
angeordneten Markierung bekannt. Hierzu wird auf die Oberfläche des
Materialkörpers
ein Strahl hoher Energiedichte gerichtet, für den das Material durchlässig ist.
Der Strahl wird an einem Ort fokussiert, der von der Oberfläche einen
Abstand aufweist und innerhalb des Materialkörpers angeordnet ist, wodurch
die Markierung bewirkt wird. Bei diesem Verfahren wird im Inneren
des zu markierenden Glaskörpers
durch die Laserstrahlung das Material ionisiert, so dass ebenfalls
Mikrorisse entstehen.
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Ein weiteres entsprechendes Verfahren
ist aus der WO 94 /14567 bekannt, bei dem ein Bild im Inneren des
Körpers
ebenfalls durch die Bildung von lokalen Mikrorissen erzeugt wird.
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Bei den zuvor genannten aus dem Stand
der Technik bekannten Verfahren werden Festkörperlaser (Nd:YAG) mit einer
hohen Energiedichte von > 107 W / cm2 eingesetzt.
Nachteilig bei den vorgenannten Verfahren ist, dass nur bestimmte
Gläser
mit derartiger Laserstrahlung reagieren. Ferner ist nachteilig, dass
die Mikrorissstruktur die Materialeigenschaften des markierten Glases
verschlechtert.
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Aus der WO 00 / 32349 A1 und der
WO 00 / 32531 A1 sind Verfahren zur Markierung von Glas bekannt,
die ebenfalls mit Festkörperlasern (Nd:YAG)
arbeiten, bei denen die Laserparameter so gewählt sind, dass keine bruchauslösenden Mikrorisse
entstehen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass die
erzeugte Markierung mit dem bloßem Auge
nicht erkennbar ist. Nachteilig ist ferner, dass die Fokussierung
des Laserstrahls im Inneren des Glaskörpers ein hinreichend großes Glasvolumen bzw.
eine Mindestwanddicke von z.B. mindestens 1 mm voraussetzt, um ein
Risswachstum bis zur Oberfläche
zu vermeiden.
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Um trotz der weitgehenden Transparenz
des Glases für
die Wellenlängen
von Festkörperlasern eine
Wechselwirkung bzw. einen Markiereffekt zu erzielen, ist es bekannt,
absorbierende Schichten auf das Glas aufzubringen. Ein solches Verfahren
ist beispielsweise aus der
EP
07 613 77 B1 bekannt, wobei ein Nd:YAG Laser mit einer
Wellenlänge
von 1,06 μm für die Markierung
der aufgebrachten Materialschicht verwendet wird. Ferner ist aus
der
DE 422 428 2 A1 ein
entsprechendes Verfahren bekannt, bei dem ein metalldotiertes Spezialglas
mit einem Nd:YAG Laser markiert wird.
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Aus der WO 95 / 05286 A1 ist ein
Verfahren zur Innenmarkierung eines Glaskörpers ohne Veränderung
der Glasoberfläche
bekannt. Dazu wird ein CO2 Laser verwendet, der eine Energiedichte
von mindestens 6 kW/cm2 Energiedichte im
Fokus aufweist, um lokale Spannungen unter der Oberfläche in bis
zu ca. 50 μm
Tiefe einzubringen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die
Markierungen mit bloßem
Auge nicht sichtbar sind.
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Aus der
DE 312 1138 C2 ist ferner
ein Verfahren zum Dekorieren von Glaserzeugnissen bekannt, bei dem
ein Laserstrahl von einer solchen maximalen Energie zur Anwendung
kommt, dass Glasmasse von der Oberflächenschicht verdampft oder eine Änderung
der optischen Durchlässigkeit
des Glases verursacht.
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Aus der
DE 314 5278 C2 ist ein weiteres
Verfahren zum Abtragen von Material von der Glasoberfläche mittels
eines Laserstrahls bekannt, bei dem der Laserstrahl durch eine teilweise
absorbierende Matrix in eine Vielzahl von Einzelstrahlen aufgeteilt wird.
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Ferner ist aus der
DE 413 2817 A1 ein Verfahren
bekannt, bei dem durch einen Laserstrahl punktuell das Glas an der
zu behandelnden Oberfläche
aufgeschmolzen wird. Nachteilig bei den genannten materialabtragenden
Verfahren ist, dass Absaugvorrichtungen erforderlich sind, um verdampftes Glasmaterial
zu entfernen. Außerdem
werden die Materialeigenschaften nachteilig beeinflusst.
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Ein besonderer Nachteil bei dem genannten Verfahren
ist die notwendige Wärmebehandlung
des Glases vor, während
oder nach der Laserbearbeitung, um das Glas zu entspannen, da die
Laserbearbeitung bei Temperaturen unter der Transformationstemperatur
stattfindet.
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Aus der
DE 199 26878 A1 ist ein
Verfahren zum Gravieren von Glasbehältern mittels Laserstrahlen
bekannt, das einen Lack verwendet, der aus einer Kombination von
einer verglasbaren Grundlage mit einem Pigment besteht, das die
Eigenschaft besitzt, unter der Wirkung mit dem Laserstrahl zu reagieren und
die Farbe der verwendeten Kombination zu ändern.
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Ferner ist aus der WO 99 / 00215
A1 ein Verfahren bekannt, welches auf einer Kombination der bekannten
Verfahren zur Oberflächenmarkierung und
Innenmarkierung von Glas beruht.
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Aus der WO 96 / 10777 A1 ist ein
Verfahren zur Markierung der Glasoberfläche mittels UV-Laserstrahlung
bekannt, bei dem nur eine Mikrostrukturierung, die ohne Hilfsmittel
nicht erkennbar ist, erzielt werden kann.
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Aus der
JP 09 278494 A ist ein Verfahren
zur Markierung eines Glassubstrats bekannt. Zur Markierung wird
ein YLF Laser mit einer Wellenlänge
von ca. 262nm verwendet.
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Aus der
JP 10 101379 A ist ein weiteres
Verfahren zur Markierung von Glas bekannt. Bei diesem Verfahren
werden pulsierende Laserstrahlen einer Wellenlänge von 2.300 nm verwendet,
wobei jede zu markierende Stelle auf dem Glas zwischen drei und einhundertmal
mit einem Laserstrahl zu beaufschlagen ist.
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Aus der
DE 34 25 263 A1 ist ein
Verfahren zum Einschreiben von Informationen in das Volumen von
transparenten Materialien mittels Laserstrahl bekannt, bei dem durch
die Wahl der Fokussierung des Laserstrahls die Information in verschiedene
Materialtiefen eingeschrieben werden kann.
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Aus der
DE 196 46 331 ist ein direktschreibendes
Laser-Verfahren zur Erzeugung erhabener Strukturen (Reliefs) bekannt.
Zur lokalen plastischen Verformung wird ein Energieeintrag in das
Substrat für
eine lokale, thermisch induzierte Expansion durch einen fokussierten
Laserstrahl durchgeführt
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Aus der
DE 196 46 332 ist eine Laser basiertes
Verfahren für
die Herstellung von Schriftzeichen im Inneren eines Werkstückes bekannt.
Hierbei werden ohne Oberflächenschädigung in
einer vergleichsweise großen
Tiefe innerhalb eines Werkstückes
Veränderungen
realisiert.
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Aus der
DE 198 23 257 A1 ist ein
Verfahren zur definierten dauerhaften Veränderung des Extinktionsspektrums
metallpartikelhaltiger Dielektrika durch intensive Laserimpulse
bekannt. Die Veränderung
wird durch Einstrahlung von in tensivem Laserlicht in eine durch
Anregung von Oberflächenplasmonen
in den Metallpartikeln verursachte Extinktionsbande bewirkt.
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Beschriftete Glasgefäße werden
beispielsweise zum Einfüllen
von Flüssigkeiten,
wie zum Beispiel Medikamenten, verwendet. Das Medikament wird typischerweise
in dem Glasgefäß einer
Qualitätsprüfung unterzogen,
indem eine Eigenschaft des Medikaments optisch inspiziert wird.
Hierzu sind aus dem Stand der Technik an sich optische Inspektionssysteme
bekannt, die beispielsweise zur automatischen Feststellung der Anzahl
von Schwebeteilchen pro Volumeneinheit in der Flüssigkeit oder anderer Eigenschaften
geeignet sind. Nachteilig bei vorbekannten Glasgefäßen ist
hierbei, dass die optische Inspektion der Eigenschaft durch eine
auf dem Glasgefäß befindliche
Markierung verfälscht
wird oder gar nicht möglich
ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zu Grunde ein verbessertes Produkt aus Glas oder einem anderen transparenten,
glasartigen Werkstoff zu schaffen. Ferner liegt der Erfindung die
Aufgabe zu Grunde ein verbessertes Verfahren zur Inspektion einer
Eigenschaft einer Substanz, die sich in dem Produkt aus Glas befindet,
zu schaffen.
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Die der Erfindung zu Grunde liegenden
Aufgaben werden jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
angegeben.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Markierung eines
Produkts aus Glas oder einem anderen transparenten, glasartigen
Werkstoff durch eine oder mehrere lokale Verformungen der Oberfläche des
Produkts. Durch die lokale Verformung oder die lokalen Verformungen
wird jeweils eine Linsenwirkung realisiert.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung hat eine lokale Verformung eine im wesentlichen kreisförmige Begrenzung
auf der Oberfläche.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hat eine lokale Verformung eine im wesentlichen ovale
Begrenzung auf der Oberfläche.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird eine Information über die Brennweite der Linsenwirkung
der lokalen Verformung codiert. Zur Codierung kann dabei eine einzelne
Brennweite einer einzelnen lokalen Verformung verwendet werden oder
auch verschiedene Brennweiten derselben lokalen Verformung oder
die Brennweiten verschiedener lokaler Verformungen. Ferner können auch
die Abstände
der einzelnen Verformungen zur Codierung einer Information verwendet
werden.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist eine lokale Verformung zur Realisierung einer
sphärischen
oder Zylinderlinsenwirkung ausgebildet. Der Durchmesser bzw. die Ausdehnung
senkrecht zur Zylinderachse beträgt maximal
0,5 mm, vorzugsweise kleiner als 0,3 mm. Die Veränderung des Oberflächenprofils
des Glases senkrecht zur Oberfläche
ist vorzugsweise kleiner als 0,1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,05
mm.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erfolgt die Erzeugung von der oder den lokalen Verformungen
der Oberfläche während des
Produktionsvorgangs des Produkts aus Glas, beispielsweise in einer
Rohrziehanlage. Dadurch entfällt
die Notwendigkeit für
separate Bearbeitungsschritte nach der Fertigung des Glases für die Aufbringung
von Markierungen.
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Vorzugsweise wird eine lokale Verformung der
Oberfläche
so erzeugt, dass zunächst
entlang eines Ziehprozesses in einer Rohrziehanlage eine Markierposition
auf der Oberfläche
ausgewählt
wird, wobei die Markierposition eine Glastemperatur oberhalb der
Transformationstemperatur des Glases aufweist. Dann wird das Glas
mit einem Laserpuls zur Aufbringung der lokalen Verformung auf der
Oberfläche
des Glases beaufschlagt.
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Dadurch wird es ermöglicht,
eine deutlich sichtbare, aber mikrorissfreie Markierung auf das Glas
bereits während
der Herstellung des Rohres bei hohen Temperaturen aufzubringen.
Die mögliche
Integration der Markierung in den Produktionsvorgang erlaubt es,
die dort ohnehin vorhandenen hohen Temperaturen für die Anwendung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zu nutzen, ohne dass diese Temperaturen jenseits der Transformationstemperatur des
Glases in nachfolgenden Weiterverarbeitungsschritten erzeugt werden
müssten.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung
liegt darin, dass sie sich in den kontinuierlichem Produktionsprozess
einfügt,
ohne diesen zu verzögern
oder sonst nachteilig zu beeinflussen.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin,
dass die Erfindung die Herstellung von spannungsarmen Markierungen
auf der Oberfläche
ohne die Erzeugung von Mikrorissen erlaubt, so dass die Materialeigenschaften
des gefertigten Glases durch die Markierung nicht nachteilig beeinflusst
werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dabei der Laserstrahl
so geregelt, dass er nur kurzzeitig seine Peakleistung erreicht.
Die Peakleistung wird dabei in Abhängigkeit der physikalischen
Parameter des Glases – beispielsweise
dessen thermischen Ausdehnungskoeffizient und Wärmleitfähigkeit – gewählt, um den Spannungseintrag
in das Glas zu minimieren.
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Diese rein thermische Wechselwirkung
ist zur Aufbringung von sichtbaren Markierungen auf der Glasoberfläche ausreichend,
da sich das zu markierende Glas oberhalb der Transformationstemperatur befindet,
und das Glas daher leichter verformbar ist. Entsprechend ist auch
nur eine relative geringe Laser-Leistung
zur Anbringung der Markierungen erforderlich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kommt
ein gepulster quasikontinuierlicher CO2-Laserstrahl
zur Anwendung. Durch verschiedene Puls-Pausen-Verhältnisse des CO2-Laserstrahls
können
beliebige dauerhafte Markierungen unterschiedlicher Muster – beispielsweise
Punkte, Striche, Linien – auf
der an dem Laser vorbeilaufenden Glasoberfläche erzeugt werden. Diese Muster
werden durch die lokalen Verformungen der Glasoberfläche erzeugt.
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In vorteilhafter Weise kann die Regelung
für die
Erzeugung des Laserstrahls mit Messgeräten gekoppelt werden. Dies
erlaubt es, das Glas entsprechend der Fehler, die mit den Messgeräten zur
Qualitätssicherung
erkannt werden, zu markieren. Stellt ein solches Messgerät beispielsweise
einen Glasfehler, z. B. Blasen oder Knoten fest, so kann das Messgerät ein entsprechendes
Signal an die Regelungselektronik des Lasers abgeben. Daraufhin
wird auf der Oberfläche
des betreffenden Materialbereichs eine Markierung angebracht, die
später
im weiteren Produktionsvorgang entweder zur Kennzeichnung einer noch
erforderlichen Nachbehandlung oder zur Aussonderung des entsprechenden
Produkts dienen kann.
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Die Pulszeiten und / oder die Peakleistungen des
Laserstrahls können
auch so gewählt
werden, dass die Markierungen mit bloßem Auge nicht erkennbar sind,
sondern nur unter dem Mikroskop, oder mittels eines Polarimeters
oder eines Wellenfrontsensors feststellbar sind. Die Markierungen
können
auch maschinenlesbar ausgebildet sein, beispielsweise ähnlich der
Form eines sogenannten Bar-Codes.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
lassen sich beispielsweise unvertälschbare Markierungen auf dem
Glas zur Bekämpfung
der Produktpiraterie anbringen. Ebenso lassen sich Marken, Firmenlogos
oder sonstige Produktausstattung durch das erfindungsgemäße Verfahren
unverfälschbar
auf der Glasoberfläche
aufbringen, ohne dass dies die Materialeigenschaften des Glases
nachteilig beeinflussen würde
und bei voller Integration der Anbringung der Markierung in die
Produkffertigung.
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Da das Verfahren berührungslos
arbeitet, kann die entsprechende Vorrichtung von dem sonstigen Produktionsprozess
gekapselt aufgebaut sein. Dies hat den weiteren Vorteil der Wartungsarmut
und des einfachen, mobil zu gestaltenden Aufbaus der Markiereinheit.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erfolgt das Lesen einer in dem Produkt codierten Information
durch ein optisches System, welches die Abstände der einzelnen Verformungen
auf der Oberfläche
und oder die Brennweiten der lokalen Verformungen misst. Durch Decodierung
dieser Messwerte erhält
man dann die Nutzinformation.
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Ein weiterer besonderer Vorteil der
Erfindung ist, dass zur Markierung kein Auftrag von Fremdmaterial
erforderlich ist. Ferner lassen sich die lokalen Verformungen so
erzeugen, dass in dem Glas keine Mikrorisse entstehen und auch keine
Festigkeitsminderung oder die Einbringung von mechanischen Spannungen
erfolgt. Dadurch wird auch die Erzeugung von Splittern oder Chips
durch das Wachstum von Mikrorissen verhindert.
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Die Markierung erfolgt also vorzugsweise ohne
eine Änderung
der Glasstruktur oder der chemischen Eigenschaften des Glases. Je
nach der Intensität
der Markierung ist diese entweder visuell sichtbar oder nur in optischen
Inspektionssystemen. Ferner kann die Markierung bei Bedarf zerstörungsfrei auch
wieder entfernt werden, zum Beispiel in einem Umformprozess oder
durch Feuerpolitur. Ein für
die Entfernung einer solchen Markierung geeignetes Verfahren ist
z.B. aus
DE 41 32 817 bekannt.
Hierbei wird ein Teil der Oberfläche
punktuell und sukzessiv mit der Energie wenigstens eines Lasers
oder dgl. punktuell wirkenden Energiequelle zum partiellen Schmelzen
des Glases an der Oberfläche
beaufschlagt.
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Beispielsweise werden bei einem Rohrziehprozess
die erfindungsgemässen
Markierungen angebracht. Die in dem Rohrziehprozess hergestellten Rohre
werden danach zu Glasbehältern
verarbeitet. Dabei werden die Markierungen zunächst gelesen und dann ganz
oder teilweise bei der Herstellung der Glasbehälter wieder entfernt.
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Besonders vorteilhaft ist ferner
der Einsatz eines erfindungsgemäßen Produkts
in einem Verfahren zur Inspektion einer Eigenschaft einer in dem Produkt
befindlichen Substanz, wie zum Beispiel einer Flüssigkeit. Hierzu wird eine
Beleuchtung mit diffusem Licht gewählt, die die Linsenwirkung
der Verformungen reduziert. Bei einer solchen Beleuchtung erfolgt
die Inspektion der in dem Produkt befindlichen Substanz mit einem
optischen Inspektionssystem, um eine Eigenschaft der Substanz zu überprüfen. Bei dieser
Eigenschaft kann es sich zum Beispiel um die Anzahl von Schwebeteilchen
pro Volumeneinheit in einer Flüssigkeit
oder dergleichen handeln.
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Aufgrund der Linsenwirkung der lokalen
Verformungen wird also die Markierung des Produkts je nach der gewählten Beleuchtung
entweder besonders sichtbar gemacht, insbesondere bei parallel einfallenden
Lichtstrahlen, oder unterdrückt,
wenn zum Beispiel diffuses Licht gewählt wird.
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Im weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer lokalen Verformung auf der Oberfläche eines
Produkts aus Glas,
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2 eine
Aufnahme einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten lokalen
Verformung zur Aufbringung einer Markierung auf der Oberfläche des
Glases,
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3 eine
Prinzipdarstellung der Form des Laserpulses zur Erzeugung einer
lokalen Verformung auf der Glasoberfläche,
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4 eine
schematische Darstellung verschiedener lokaler Verformungen auf
der Glasoberfläche
zur Codierung einer Information,
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5 eine
Prinzipdarstellung des Puls-Pausen-Verhältnisses des quasi kontinuierlichen
Laserstrahls, der bei einer Rohrziehanlage zur Aufbringung von lokalen
Verformungen zur Anwendung kommt,
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6 eine
Rohrziehanlage zur Aufbringung von lokalen Verformungen auf die
Glasoberfläche,
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7 ein
Flussdiagramm einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Inspektion einer Eigenschaft,
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8 eine
Markierung mit kreisförmigen
lokalen Verformungen, und
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9 eine
einzelne kreisförmige
Verformung.
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Die 1 zeigt
die Oberfläche 100 eines Glasprodukts.
Auf der Oberfläche 100 befindet
sich eine lokale Verformung 102, die auf der Oberfläche 100 eine
ovale Begrenzung 104 hat.
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Die ovale Begrenzung 104 hat
die beiden geometrischen Achsen 106 und 108. Die
Ausdehnung 110 der lokalen Verformung 102 entlang
der geometrischen Achse 108 beträgt vorzugsweise maximal 0,5
mm, insbesondere weniger als 0,3 mm.
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Die 1 zeigt
ferner eine Schnittansicht der Oberfläche 100 entlang der
geometrischen Achse 108. Die Schnittansicht zeigt, dass
die lokale Verformung 102 eine Linsenform 112 mit
einer bestimmten Brennweite entlang der Achse 108 aufweist.
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Ferner zeigt die 1 einen Schnitt entlang der geometrischen
Achse 106. In dieser Schnittrichtung hat die lokale Verformung 102 eine
Linsenform 114 mit einer größeren Brennweite.
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Vorzugsweise ist die maximale Tiefe 116 der lokalen
Verformung 102 kleiner als 0,1 mm, vorzugsweise kleiner
0,05 mm. Die Länge
der lokalen Verformung 102 entlang der geometrischen Achse 106 kann
beliebig gewählt
werden.
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Durch die Linsenwirkung der lokalen
Verformung 102 wird die hierdurch erzeugte Markierung je nach
der gewählten
Beleuchtung mehr oder weniger sichtbar. Wenn das einfallende Licht
im wesentlichen einen parallelen Strahlengang hat, so wird die Linsenwirkung
am augenfälligsten.
Kommt dagegen diffuses Licht zum Einsatz, so wird die Linsenwirkung mehr
oder weniger vollständig
unterdrückt.
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Ferner ist es möglich, die Brennweiten der Linsenformen 112 und 114 mit
einem optischen System zu messen. Vorzugsweise ist dabei durch die Wahl
der Brennweiten eine Information codiert, die durch Decodierung
der gemessenen Brennweiten wieder erhalten werden kann.
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Vorzugsweise wird die lokale Verformung 102 auf
die Oberfläche 100 aufgebracht,
indem das Glas auf eine Temperatur oberhalb seiner Transformationstemperatur
gebracht wird und dann ein gepulster Laserstrahl auf die Oberfläche 100 gerichtet wird.
Durch das Auftreffen des Laserpulses auf die Oberfläche 100 resultiert
die lokale Verformung 102.
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Vorzugsweise erfolgt dies in einer
Rohrziehanlage, wobei durch die Relativgeschwindigkeit des Glasstrangs
in der Rohrziehanlage zu dem Laser die Länge der Ausdehnung der lokalen
Verformung 102 längs
der geometrischen Achse 106 bestimmt wird, wenn die Bewegung
in der Rohrziehanlage im wesentlichen in Richtung der durch die
geometrischen Achse 106 gegebenen Vorzugsrichtung erfolgt.
Dies wird im weiteren noch näher
erläutert.
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Die 2 zeigt
eine einzelne Markierung des Typs der lokalen Verformung 102 der 1 in vergrößerter Darstellung.
Diese Markierung ist mittels eines Laserpulses auf der Glasoberfläche erzeugt
worden.
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Zunächst wird dazu das zu markierende
Glas auf eine Temperatur gebracht, die oberhalb der Transformationstemperatur
des Glases liegt. Je nach Glastyp ist dazu eine Temperatur von ca.
500 – 600 C° erforderlich.
Bei einer Integration des Markierungsverfahrens in die Glasproduktion
wird die entsprechende Laser-Markierungsvorrichtung an einer Stelle
des vorbeilaufenden Glasstrangs platziert, an der die erforderliche
Markiertemperatur größer als die
Transformationstemperatur des Glases vorhanden ist.
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Nach oben ist die Temperatur der
zu markierenden Glasoberfläche
dahingehend beschränkt, dass
mit der zur Verfügung
stehenden Laserleistung keine Wechselwirkung mehr mit dem Glas derart
erfolgt, dass eine noch sichtbare Markierung resultiert.
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Die Wechselwirkung des auftreffenden
Laserpulses mit der Glasoberfläche
ist dabei rein thermisch, ohne dass es dabei zu einer physikalischen oder
chemischen Veränderung
des Glasmaterials kommt. Insbesondere wird dadurch die Ionisation des
Glasmaterials sowie die Bildung von Mikrorissen oder dergleichen
im Wesentlichen verhindert.
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Die in der 2 gezeigte Markierung weist eine Länge von
1,3 mm auf. Die ovale Form der Markierung wird dadurch erreicht,
dass das zu markierende Glas relativ zu der Laserquelle eine Bewegung ausführt, so
dass die Länge
des Ovals durch die Bewegungsgeschwindigkeit und die Länge des
Laserpulses gegeben ist.
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Den zeitlichen Verlauf des entsprechenden Laserpulses
zeigt die 3. Der Laserpuls
hat eine Anstiegszeit von tan. Nach der
Anstiegszeit erreicht die La serleistung ihr Maximum, dass in der 2 als Ppeak gekennzeichnet
ist. Unmittelbar nach Erreichung der maximalen Laserleistung fällt diese
in der Abfallszeit tab wieder auf 0 ab.
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Die maximale Leistung Ppeak wird
dabei vorzugsweise so gewählt,
dass es außer
zu einer thermischen zu keiner weiteren Beeinflussung der zu bearbeitenden
Oberfläche
und des Produkts kommt. Die Wahl der maximalen Leistung Ppeak erfolgt daher in Abhängigkeit der physikalischen
Parameter des zu markierenden Glases, dass heißt in Abhängigkeit von dessen thermischen
Ausdehnungskoeffizient und dessen Wärmeleitfähigkeit. Auch die chemischen
Charakteristika des Glases können
dabei berücksichtigt
werden.
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Die Anstiegszeit tan wird
dabei in vorteilhafter Weise als die minimale Zeit gewählt, die
zur Erreichung der maximalen Leistung Ppeak erforderlich
ist. Diese minimale Zeit ist durch den verwendeten Laser geräteabhängig gegeben.
Die Wahl der Laserparameter (Pulsweite, Pulspause) hängt von
der Art der gewünschten
Markierung, beispielsweise der Strichlänge, ab.
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Gleich nach Erreichung der maximalen
Leistung Ppeak wird die Zuführung von
Energie zu dem Laser wieder unterbrochen, so dass in der dann ebenfalls
geräteabhängigen Abfallszeit
tab die Ausgangsleistung des Laserpulses
wieder auf 0 zurückfällt. Bei Verwendung
eines CO2 Lasersystems können die Anstiegs- und Abfallzeiten
jeweils 50 bis 60 μs
betragen, woraus sich eine Pulsweite tpuls von
ca. 100 bis 120 μs
ergibt. Es können
jedoch auch längere
Pulszeiten von z. B. tpuls = 300 μs oder länger gewählt werden.
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Durch mehrere aufeinanderfolgende
und überlappende
Laserpulse kann auch ein kontinuierlicher Kennstreifen auf der Oberfläche erzeugt
werden. Dieser Kennstreifen kann eine im wesentlichen konstante
Tiefe aufweisen. Alternativ kann die Tiefe durch die zeitliche Abfolge
der Laserpulse moduliert werden, um eine Information in dem Kennstreifen
zu speichern. Durch Messung des Tiefen verlaufs entlang des Kennstreifens
und Demodulation kann dann die Information zurückgewonnen werden.
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Die 4 zeigt
schematisch eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Produkts
aus Glas. Dieses hat eine Oberfläche 400 mit lokalen
Verformungen 402, 404, 406 und 408.
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Die lokale Verformung 402 hat
eine kreisförmige
Begrenzung 410 auf der Oberfläche 400. Die kreisförmige Begrenzung 410 hat
einen Durchmesser 412. Die lokale Verformung 404 hat
ebenfalls eine kreisförmige
Begrenzung 414 mit einem Durchmesser 416. Die
lokale Verformung 406 hat eine kreisförmige Begrenzung 418 mit
einem Durchmesser 420. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Durchmesser 420 im wesentlichen identisch mit dem Durchmesser 412.
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Die lokale Verformung 408 entspricht
der lokalen Verformung 102 des Ausführungsbeispiels der 1. Die lokale Verformung 408 hat
eine ovale Begrenzung 424, entsprechend der ovalen Begrenzung 104 der 1.
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Die lokalen Verformungen 402 bis 408 auf der
Oberfläche 400 sind
entlang einer Vorzugsrichtung 426 angeordnet. Diese Vorzugsrichtung 426 wird
durch die Relativbewegung der Oberfläche 400 zu dem Laser
vorgegeben.
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Die 4 zeigt
ferner einen Schnitt entlang der Vorzugsrichtung 426. Wie
in dem Schnitt verdeutlicht, hat die lokale Vertiefung 402 eine
Linsenform 428, die lokale Vertiefung 404 eine
Linsenform 430, die lokale Vertiefung 406 eine
Linsenform 432 und die lokale Vertiefung 408 eine
Linsenform 434.
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Durch die Linsenform 428 wird
eine bestimmte Brennweite der lokalen Vertiefung 402 definiert.
Die Linsenform 432 ist im wesentlichen identisch zu der
Linsenform 428, so dass im wesentlichen dieselbe Brennweite
resultiert.
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Die Linsenform 430 hat dagegen
eine deutlich geringere Krümmung
und damit eine größere Brennweite.
Die lokale Verformung 408 hat zwei unterschiedliche Brennweiten,
und zwar die durch die Linsenform 434 bestimmte Brennweite
und eine weitere durch die Kontur der lokalen Verformung 408 senkrecht
dazu gegebene Linsenform (vgl. Linsenform 112 der 1).
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Die lokale Verformung 402 ist
von der lokalen Verformung 404 um einen Abstand 436 beabstandet; zwischen
den lokalen Verformungen 404 und 406 besteht der
Abstand 438 und zwischen den lokalen Verformungen 406 und 408 der
Abstand 440.
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Durch geeignete Wahl der Abstände 436, 438 und 440 sowie
der Brennweiten der lokalen Verformungen 402 bis 408 lässt sich
Information in der Oberfläche 400 in
codierter oder uncodierter Form hinterlegen.
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Zur codierten Hinterlegung der Information wird
dieser in einem geeigneten Codierungsverfahren eine gewisse Brennweiten-Abstands-
oder Brennweitenkombination oder auch nur eine bestimmte Brennweite
zugeordnet. Danach erfolgt die Beaufschlagung der Oberfläche 400 mit
einem entsprechend gesteuerten, gepulsten Laser zur Erzeugung der
entsprechenden lokalen Verformungen auf der Oberfläche 400.
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Die 5 zeigt
schematisch eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der abgegebenen
Laserpulse, wenn sich die Oberfläche 400 an
einem Laserkopf mit einer bestimmten Ziehgeschwindigkeit vorbeibewegt.
Die Laserpulse entsprechen ihrer Form nach jeweils dem Laserpuls
der 3. Durch Variation
der Pulsweiten tpuls lassen sich die unterschiedlichen
lokalen Verformungen auf der Oberfläche mit unterschiedlichen Begrenzungskonturen
erzeugen. Dagegen wird durch die Dauer der Pulspausen tpause der
Abstand der auf der Oberfäche
erzeugten lokalen Verformungen bestimmt. Ferner wird die Markierung auf
der Oberfläche
durch die Einstellung der Laser-Optik bestimmt.
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Die
6 zeigt
eine Anlage zur kontinuierlichen Herstellung von Glas, beispielsweise
von Glasrohr, in einer Rohrziehanlage. Dabei kann beispielsweise
das Danner-Verfahren zur Anwendung kommen, welches an sich aus der
U.S. 1 218 598 bekannt ist.
Ferner können
auch das VeIlo-Verfahren und das A-Zug–Verfahren
(
DE-AS 1025 581 )
oder ein anderes Glasziehverfahren zur Anwendung kommen.
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In der Rohrziehanlage wird das Glasmaterial 1 mit
einer bestimmten Geschwindigkeit im Wesentlichen translatorisch
in Richtung des Pfeils 2 bewegt. Die Ziehgeschwindigkeit
beträgt
dabei unter 6 m/s, vorzugsweise ca. 4 m/s.
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Der aus dem Glasmaterial 1 bestehende Glasrohrzug
passiert in der Rohrziehanlage der 3 zunächst die
Messgeräte 3.
Die Messgeräte 3 dienen
zur Untersuchung von einer oder mehrerer Materialeigenschaften des
Glasmaterials 1, beispielsweise die Prüfung hinsichtlich Blasen, Knoten oder
anderer Materialunregelmäßigkeiten,
Fehler oder sonstiger Eigenschaften. Die Messgeräte können vorteilhafter Weise auch
ungefähr
in Höhe
der mit 400 °C
bezeichneten Stelle entlang des Glasstrangs angeordnet sein. Soll
die Lasermarkierung zur Fehlermarkierung benutzt werden, so muss
in diesem Fall der Laserstandort in Ziehrichtung nach den Messgeräten gewählt werden.
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Wird eine bestimmte Prüfbedingung
nicht erfüllt,
so geben die Messgeräte 3 ein
entsprechendes Signal ab, welches über eine Leitung 4 zu
einer Ansteuerung 5 eines Lasers 6 übertragen
wird.
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Der Laser 6 besteht neben
der Ansteuerung 5 aus einem CO2-Laserkopf 7 sowie
einem entsprechendem Kühler 8 und
einem Hochfrequenznetzteil 9. Der Laserkopf 7 erzeugt
bei einer entsprechenden Ansteuerung durch die Ansteuerung 5 einen CO2-Laserpuls,
der über
eine Fokussieroptik 10 auf das Glasmaterial 1 gerichtet
wird.
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Die Fokussieroptik 10 weist
an ihrer dem Glasmaterial 1 zugewandten Seite eine in der 3 nicht im Detail dargestellte
Optikspülung 11 auf.
Die Temperatur beträgt
in dem Bereich, wo der Laserstrahl des Laserkopfes 7 auf
das Glasmaterial 1 auftrifft in dem betrachteten Beispiel
ca. 600 °C,
liegt also oberhalb der Transformationstemperatur des Glasmaterials 1.
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In den darauffolgenden Abschnitten
der Rohrziehanlage fällt
die Temperatur des Glasmaterials 1 kontinuierlich auf 400 °C bzw. auf
200 °C ab.
Am hinteren Ende der Rohrziehanlage befindet sich eine Ziehmaschine 12,
die das Glasmaterial 1 in die gewünschte translatorische Bewegung
versetzt. Hinter der Ziehmaschine 12 wird das gezogene
Glasmaterial in Rohre 13 unterteilt, die erforderlichenfalls
einer Nachverarbeitung 14 unterzogen werden.
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Der Laserkopf 7 wird durch
die Ansteuerung 5 des Lasers 6 so geregelt, dass
das vorbeilaufende Glasmaterial 1 des Rohrzuges mit Laserpulsen
beaufschlagt wird, die im Wesentlichen nur zu einer thermischen
Beeinflussung der Oberfläche
des Glasmaterials 1 führen,
wie oben mit Bezug auf die 1 und 2 erläutert. Die genaue Position
für die
Anbringung einer Markierung wird durch die Fokussieroptik 10 bestimmt.
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In dem betrachteten Ausführungsbeispiels der 3 befindet sich die Fokussieroptik 10 in
ca. 63,5 mm Arbeitsabstand von der Oberfläche des Glasmaterials 1.
Etwaige Abweichungen vom idealen Fokus durch Rohrzugschwankungen
von beispielsweise + 1 mm können
durch den Tiefeschärfenbereich
der Strahlung vernachlässigt
werden.
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Die Optikspülung 11 sorgt für die Spülung der
Fokussierlinse der Fokussieroptik 10 mit einem gerichteten
Gasstrom, um die Fokussierlinse beispielsweise vor Glasstaub oder
dergleichen zu schützen.
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Beispielsweise können die Laserparameter der
Ansteuerung 5 so eingestellt werden, dass die Pulsweite
tpuls (vgl. 2) 60 μs beträgt und die Pulsfre quenz
10 kHz. Die Peakleistung kann ca. 200 W betragen, was einer Durchschnittsleistung
von ca. 120 W entspricht. Aufgrund der Ziehgeschwindigkeit von ca.
4 m/s ergibt sich dadurch eine Markierung mittels Strichen, mit
einer Strichabmessung von ca. 0,25 × 0,1 mm, wobei die Striche
jeweils um ca. 0,4 mm auf der Oberfläche des Glasmaterials 1 beabstandet
sind.
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Die so erzeugten Markierungen sind
ohne Hilfsmittel auf dem Endprodukt Glasrohr 13 sowie auch
auf Nachverarbeitungsprodukten, z. B. Ampullen, mit dem bloßem Auge
erkennbar. Es werden keine Aufwölbungen
nach außen
an der Glasoberfläche und
keine negativen Spannungen oder gar Mikrorisse induziert. Dies lässt sich
beispielsweise durch eine Wärmebehandlung
der Ampullen (Kühlofen)
und Thermoschocks verifizieren, in denen die entsprechenden Produkte
keine Unterschiede im Vergleich zu unmarkierten Produkten aufweisen.
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Durch eine entsprechende Ausbildung
der Fokussieroptik 10 lassen sich jedoch auch beliebige Markierungsmuster
auf der Glasoberfläche
erzeugen. Dabei kann es sich beispielsweise um dekorative Muster,
Marken, Logos, Produktausstattungen oder sonstige Kennzeichnungen,
beispielsweise für die
Produktionsüberwachung
handeln. Insbesondere lassen sich so auch Markierungen auf die Rohre
aufbringen, wie z.B. Eichstriche oder sonstige Markierungen für Füllstände. Vorteilhaft
für die
Aufbringung von Eichstrichen ist, wenn die Rohre bei der Fertigung
rotieren.
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Die Laser-Optik kann auch einen Strahlteiler zum
gleichzeitigen Aufbringen von zwei oder mehreren Pulsen aufweisen
und/oder eine diffraktive Optik zur Erzeugung beliebiger Muster.
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Ferner ist es auch möglich, den
Laser 6 und/oder die Fokussieroptik 10 relativ
zu der Rohrzuganlage parallel zu dem Rohrzug beweglich anzuordnen,
so dass der Laserstrahl über
eine gewisse Strecke parallel zu dem Glasmaterial 1 in
Richtung des Pfeils 2 mitlaufen kann, um beispielsweise
komplexere Muster auf der Oberfläche
des Glasmaterials 1 aufzubringen. Dadurch ist eine Mitfahrbe wegung
der Optik mit der Ziehgeschwindigkeit simultan zur Rohrzugbewegung
ermöglicht.
Alternativ kann auch eine Scanvorrichtung eingesetzt werden. Nach
Beendigung der entsprechenden Markierung wird der Laser 6 und
/ oder die Fokussieroptik 10 wieder in die Ausgangsposition
zurück
gefahren, um einen erneuten Markierungsschritt vorzubereiten.
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Alternativ oder zusätzlich wird
die Ansteuerung 5 von einer Codiereinheit 16 angesteuert.
Hierzu werden zunächst
zu codierende Informationen in die Eingabeeinheit 15 eingegeben.
Bei der Eingabeeinheit 15 kann es sich zum Beispiel um
einen Personal Computer handeln. Auch die Codiereinheit 16 kann
durch den Personal Computer, das heißt, ein entsprechendes Computerprogramm,
realisiert werden.
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Durch die Codiereinheit 16 werden
die zu codierenden Informationen in Brennweiten und / oder Abständen von
aufeinander folgenden lokalen Verformungen codiert. Diese entsprechen
wiederum einer bestimmten Abfolge von Pulsweiten tpuls und
Pulspausen tpause Zur Herstellung entsprechender
lokaler Verformungen auf der Glasoberfläche.
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Die 7 veranschaulicht
eine Anwendung eines erfindungsgemäßen Produkts. In dem Schritt 700
erfolgt die Herstellung des Produkts in einem erfindungsgemäßen Verfahren,
beispielsweise in einer Rohziehanlage, wie mit Bezugnahme auf die 6 oben erläutert. Bei
dem Produktionsvorgang wird codierte Information in das Glasprodukt
in der Form von lokalen Verformungen eingebracht. Bei der Information
kann es sich beispielsweise um eine Produktinformation handeln.
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In dem Schritt 702 erfolgt
anwenderseitig das Einfüllen
einer Flüssigkeit
in das Glasprodukt. Bei der Flüssigkeit
kann es sich beispielsweise um ein Medikament handeln.
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Zur Überprüfung einer Eigenschaft der
Flüssigkeit
wird in dem Schritt 704 diffuses Licht eingeschaltet, um
die Linsenwirkung der lokalen Verformungen auf der Oberfläche des
Glasprodukts zu unterdrücken.
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In dem Schritt 706 erfolgt
die Prüfung
der Eigenschaft der Flüssigkeit
mit einem optischen Inspektionssystem. Vorteilhaft hierbei ist,
dass die Arbeitsweise des optischen Inspektionssystems durch die
lokalen Verformungen auf der Glasoberfläche nicht beeinträchtigt wird.
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Andererseits können die codierten Informationen
in dem Schritt 708 durch den Anwender von dem Glasprodukt
gelesen werden. Hierzu werden die Abstände und / oder die Brennweiten
der lokalen Verformungen auf der Oberfläche des Glasprodukts messtechnisch
erfasst. Diese Messwerte werden in dem Schritt 710 decodiert und
die decodierte Nutzinformation wird ausgegeben. Für die Decodierung
und die Ausgabe der Information kann ein entsprechend programmierter
Personal Computer verwendet werden.
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Die 8 zeigt
eine Oberfläche 800 eines Glaserzeugnisses
mit lokalen Verformungen 802, die um 2,13 mm voneinander
beabstandet sind. Die lokalen Verformungen 802 haben eine
im wesentlichen kreisförmige
Begrenzung und daher jeweils die Wirkung einer sphärischen
Linse.
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In dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel
sind die lokalen Verformungen 802 mit einem CO2 Laser
einer Leistung von 30 Watt, 250 K Coherent, aufgebracht worden.
Die Geschwindigkeit des Glasstrangs in der Rohrziehanlage betrug
2,47 m/s. Die Beaufschlagung der Oberfläche 800 mit den Laserpulsen
erfolgte bei einer Temperatur von T = 510°C.
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Die 9 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
einer einzelnen lokalen Verformung 802. Die lokale Verformung 802 hat
einen Durchmesser von ca. 0,4 mm.
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- 01
- Glasmaterial
- 02
- Ziehrichtung
- 03
- Messgeräte
- 04
- Leitung
- 05
- Ansteuerung
- 06
- Laser
- 07
- Laserkopf
- 08
- Kühler
- 09
- HF-Netzteil
- 10
- Fokussieroptik
- 11
- Optikspülung
- 12
- Ziehmaschine
- 13
- Rohre
- 14
- Nachverarbeitung
- 15
- Eingabeeinheit
- 16
- Codiereinheit
- 100
- Oberfläche
- 102
- lokale
Verformung
- 104
- ovale
Begrenzung
- 106
- geometrische
Achse
- 108
- geometrische
Achse
- 110
- Ausdehnung
- 112
- Linsenform
(Brennweite)
- 114
- Linsenform
(größere Brennweite)
- 116
- Tiefe
- 400
- Oberfläche
- 402
- lokale
Verformung
- 404
- lokale
Verformung
- 406
- lokale
Verformung
- 408
- lokale
Verformung
- 410
- kreisförmige Begrenzung
- 412
- Durchmesser
- 414
- Kreisförmige Begrenzung
- 416
- Durchmesser
- 418
- Kreisförmige Begrenzung
- 420
- Durchmesser
- 424
- ovale
Begrenzung
- 426
- Vorzugsrichtung
- 428
- Linsenform
- 430
- Linsenform
- 432
- Linsenform
- 434
- Linsenform
- 436
- Abstand
- 438
- Abstand
- 440
- Abstand
- 800
- Oberfläche
- 802
- lokale
Verformung