DE3703809C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Markierung von Gegenständen nach dem Oberbe­ griff des Hauptanspruchs.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der DE-A1 34 11 797 bekannt. Diese Druckschrift offenbart eine Vorrichtung, bei der mittels insbesondere eines gepulsten YAG-Lasers die in einem Mikrocomputer abgespeicherten Markierungen über eine pro­ grammierte Steuerung des Laserstrahls in den zu markierenden Kunststoffgegenstand eingeschrieben werden. Der zu markierende Gegenstand ist derart beschaffen, daß die Oberflächenschicht durch die Wirkung des Laserstrahls nicht verändert wird, sondern ledig­ lich die unter der Oberflächenschicht liegende weitere Schicht. Allerdings ist diese Art der Beschriftung (ohne Verwendung einer Maske und eines Abbildungssystems) recht zeitintensiv, insbeson­ dere wenn eine Vielzahl kleiner Schriftzeichen auf den Gegenstand als Markierung aufgebracht werden sollen.

Aus der DE-ZS "Elektrotechnik", 1986, Heft 11, Seite 7 ist bekannt, mittels eines Excimer-Lasers beispielsweise einen auf einem Chip angebrachten Polymerfilm direkt abzutragen. Hierdurch sollen Auflösungen bis zu einem µm möglich sein. Diese druck­ schriftliche Veröffentlichung gibt dem Fachmann weder einen Hin­ weis dazu, zur Markierung eine Maskentechnik zu verwenden noch eine Anregung dazu, die Markierung ohne Materialabtrag aus­ schließlich durch eine Verfärbung des zu markierenden Kunststoffmaterials durchzuführen.

Aus der US 45 94 263 ist ein Lasermarkierungssystem zu entnehmen, bei dem insbesondere ein CO₂-Laser Verwendung findet. Der Laser­ strahl durchläuft ein Strahlaufweitungssystem, eine Maske sowie ein Strahlverkleinerungssystem und trifft auf einen zu beschrif­ tenden - metallischen - Gegenstand, auf dem durch Ablation eine vorher aufgetragene, über chemische Prozesse schwarz gefärbte Nickelschicht abgetragen wird. Das Strahlaufweitungssystem und das Strahlverkleinerungssystem ist notwendig, damit das zu einem Parallelstrahl aufgeweitete Laserlicht die gesamte Maske ausleuchtet. Ein Hinweis darauf, besonders kleine Markierungen bzw. Schriftzeichen mit diesem System durch Verfär­ bung des zu markierenden Materials durchführen zu können, ist die­ ser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Aus der DE-ZS "Elektronik Produktion & Prüftechnik", 1986, Seite 106 ist ein Lasersystem zur Kennzeichnung von IC-Gehäusen, bei dem der aus einem CO₂-Laser ausgekoppelte Strahl über eine Zylinderlinse, eine Maske und eine Abbildungslinse auf den zu mar­ kierenden Gegenstand geleitet wird, bekannt. Die Zylinderlinse dient zur Homogenisierung des Intensitätsverlaufs im Laserstrahl, bevor dieser auf die Maske fällt. Die Maske ist in einem Bereich des Laserstrahls mit relativ hoher Energiedichte angeordnet und damit einer hohen Wärmeenergie ausgesetzt. Die der Maske nachge­ schaltete Abbildungslinse dient lediglich einer Verbesserung der Strahleneigenschaften und macht jedenfalls nicht eine vorhergehen­ de Strahlaufweitung rückgängig.

Es sind bereits CO₂-Gas-Laserbeschriftungsvorrichtungen bekannt (Prospekt der Siemens AG: "SILAMATIK-Laserbeschriftung schnell, flexibel und dauerhaft", Druckvermerk 184095 SB 4855), zu der ein optischer Resonator für eine stehende Lichtquelle gehört. Der aus­ gekoppelte Laserstrahl wird über einen Ablenkspiegel und eine Op­ tik auf eine Maske geleitet, die unmittelbar vor der Beschrif­ tungsebene eines zu beschriftenden Gegenstandes vorgesehen ist. Somit lassen sich die Schriftzeichen in der Maske lediglich in einem Maßstab von 1:1 auf den Gegenstand abbilden. Mit einer derartigen Vorrichtung muß die Maske die gesamte Energie aus dem Laserstrahl verkraften, so daß sie eine bestimmte Mindeststärke und -größe aufweisen muß, um der thermischen Beanspruchung wider­ stehen zu können. Daher lassen sich mittels dieser Maske und einem CO₂-Laser keine kleinen Schriften unter 1/10 mm Strichstärke ab­ bilden. Außerdem wird durch den geführten CO₂-Laserstrahl auf der Oberfläche des Gegenstandes eine Beschädigung bewirkt (wulst­ artiges Aufschmelzen - Prospektblatt der Firma Lambda Physik GmbH "Berührungsfrei markieren").

Ferner ist es bekannt, mittels eines Excimerlasers Glasoberflächen zu markieren. Vorrichtungen zur Glasmarkierung mittels Excimer­ lasern verwenden ebenfalls Masken, die wie eine Schablone die zu markierenden Symbole enthalten. Mit Hilfe einer ultraviolettes Licht durchlassenden Linse wird der Laserstrahl über eine Maske auf die Glasoberfläche geleitet und bildet dadurch die entspre­ chenden Symbole auf der Glasoberfläche ab. Durch Abdampfen der Oberflächenschicht des Glases entsteht eine Markierung mit sehr scharfen Kanten. Die hierbei verwendete Maske hat ebenfalls einen Abbildungsmaßstab von 1:1, so daß sehr kleine Schriftzeichen mit dieser Vorrichtung nicht oder allenfalls mit erheblichen Abbil­ dungsschwächen bzw. -ungenauigkeiten auf dem Gegenstand bzw. auf der Glasoberfläche aufgebracht werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in einer Maske ent­ haltenen Informationen als Markierung in gestochener Schärfe auf dem zu markierenden Gegenstand ohne eine Beschädigung der Ober­ fläche aufzubringen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Durch die vorteilhafte Anordnung einer Maske innerhalb der energiearmen Zone des Strahlenganges des Excimer-Lasers lassen sich erstmals auch sehr kleine Schriftzei­ chen unter einem Zehntel Millimeter Strichstärke auf den Gegen­ stand aufbringen. Durch die vorteilhafte Anordnung der Maske innerhalb der energiearmen Zone des Excimer-Laserstrahls werden die in der Maske enthaltenen Verbindungs-Stege, die mitunter not­ wendig sind, um einzelne Zeichenteile untereinander oder mit ande­ ren Teilen der Maske zu verbinden, nicht mehr auf dem Gegenstand selbst in der erzeugten Abbildung sichtbar. Durch den Excimer- Laserstrahl lassen sich die in der Maske enthaltenen Informationen extrem verkleinern, so daß ein gestochen scharfes Schriftzeichen auf einen Gegenstand aufgebracht werden kann, das sich ohne Zer­ störung der Oberfläche des Gegenstandes nicht mehr beseitigen läßt. Durch die vorteilhafte Anordnung einer Maske in der energie­ armen Zone wird die Maske durch den Laserstrahl nicht übermäßig stark der Wärmeenergie ausgesetzt.

Mit der Vorrichtung nach Erfindung wird keinerlei Beschädigung der Oberfläche des Gegenstandes bei der Aufbringung der Abbildung er­ zeugt.

Der Abbildungsmaßstab der Maske sollte mindestens im Verhältnis 10 : 1 gewählt werden. Bei diesem Abbildungsverhältnis sind Stege oder sonstige Verbindungen zwischen einzelnen Symbolen, Schriftzeichen u.ä. und den übrigen Teilen der Maske, die bei der Erstellung von Masken z.B. mit typographisch korrekten Schrift­ zeichen notwendigerweise vorgesehen werden müssen, in der ver­ kleinerten Abbildung nicht mehr wahrnehmbar. Damit wird die Abbil­ dung in einwandfreier Schrift erzeugt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von einer lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnung (Fig. 1) näher erläutert. Maske und Abbildung sind in den Fig. 2 bzw. 3 im korrekten Größenverhältnis dargestellt.

In der Zeichnung (Fig. 1) ist eine Vorrichtung zur Markierung von Gegenständen mit gepulsten Excimer-Lasern mit 10 bezeichnet. Der Laserstrahl wird dabei in einem optischen Resonator (nicht darge­ stellt) in bekannter Weise erzeugt und über einen in der Fig. 1 nicht gezeigten Scanner (z.B. mit beweglichen Spiegeln) zunächst zu einer Aufweitungslinse 20 geführt (Strahlengangrichtung mit X gekennzeichnet). Diese weitet den Excimer-Laserstrahl z.B. in einem Verhältnis 1:5 auf. An die Aufweitungslinse 20 schließt sich eine Sammellinse 22 an. Diese Sammellinse 22 ist beispiels­ weise als Fresnellinse ausgeführt; von ihr gelangt der Excimer-La­ serstrahl zu einer Abbildungslinse 24, die unmittelbar vor einem zu markierenden Gegenstand 26 angeordnet ist. Zwischen der Sammel­ linse 22 und der Abbildungslinse 24 befindet sich eine Maske 30, die die entsprechenden Symbole bzw. Schriftzeichen enthält, die auf dem Gegenstand 26 abgebildet werden sollen.

Eine solche Maske 30 ist in Fig. 2 in Originalgröße gezeigt. Teile der Symbole bzw. Schriftzeichen (z.B. beim "B" und beim "a" in Braun, das "e" in Eire usw.) sind mit den übrigen Symbolen bzw. den übrigen Teilen der Maske durch Stege verbunden.

Die im Bereich der Sammellinse 22 mit A gekennzeichnete Zone be­ zeichnet man als energiearme Zone. Durch die Aufweitung des Laser­ strahls mittels der Aufweitungslinse 20 nimmt seine Energie in Strahlrichtung X kontinuierlich ab; durch die Fokussierung des Laserstrahles mittels der Sammellinse 22 nimmt die Energie des Laserstrahles dann wieder kontinuierlich zu und erreicht im Brenn­ punkt der Abbildungslinse 24 die höchste Konzentration. Die Maske 30 ist also in vorteilhafter Weise in der energiearmen Zone A des Laserstrahles angeordnet, so daß sie nur geringen thermischen Be­ lastungen ausgesetzt ist. In vorteilhafter Weise ist der Abbil­ dungsmaßstab der Maske 30 z.B. 10 : 1. Dies ist z.B. dargestellt in Fig. 2 (Maske) gegenüber der Abbildung in Fig. 3, wie sie dann auf dem Objekt 26 erscheint.

Der aus dem Resonator austretende Laserstrahl ist scharf gebün­ delt. Er ist monochromatisch und räumlich sowie zeitlich kohärent. Der Resonator gibt dabei acht Impulse bzw. acht Laserblitze inner­ halb von 0,5 Sekunden über die Optik 20, 22, 24 und die Maske 30 auf den Gegenstand 26 ab. Durch das Auftreffen des Laserstrahles auf den Gegenstand 26 tritt z.B. bei Kunststoffen unmittelbar unterhalb der Oberfläche des Gegenstandes eine farbliche Verände­ rung auf, und das abzubildende Symbol wird dauerhaft auf dem Ge­ genstand ohne Oberflächenbeschädigung festgehalten. Durch die starke Verkleinerung der in der Maske enthaltenen Symbole werden beispielsweise Stege nicht mit übertragen (siehe Fig. 2 und 3), und es können extrem kleine Schriftzeichen auf dem Gegenstand 26 abgebildet werden, deren Größe im µ-Bereich liegen kann. Die Abbildung erfolgt dabei mit typographisch einwandfrei wiedergege­ benen Schriftzeichen. Durch das Anbringen der Maske 30 in der energiearmen Zone A des Excimer-Laserstrahles kann eine Beschädi­ gung bzw. ein Verschleiß der Maske ausgeschaltet werden.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Markierung von aus Kunststoffmaterial bestehenden Gegenständen (26) ohne Materialabtrag ausschließlich durch eine Verfärbung des Kunst­ stoffmaterials unter Einwirkung eines gepulsten Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß als Laserquelle ein Excimer-Laser Anwendung findet, der gepulste Laserstrahl ein Strahlaufwei­ tungssystem, bestehend aus einer einzigen Aufweitungslinse (20), ein Strahlverkleinerungssystem, bestehend aus einer Hintereinanderschaltung einer Sammellinse (22) und einer Ab­ bildungslinse (24) und eine zwischen der Sammellinse (22) und der Abbildungslinse (24) angeordnete Maske (30) durchläuft, und der Abbildungsmaßstab der Maske (30) auf den Gegenstand (26) in etwa 10:1 oder größer ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (30) und die Sammellinse (22) in einer Zone geringer Energiedichte (A) im Laserstrahl angeordnet sind.