DE60025877T2

DE60025877T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Gravieren einer zylindrischen Flüssigkeitsübertragungswalze mit Laserstrahlen

Info

Publication number: DE60025877T2
Application number: DE60025877T
Authority: DE
Inventors: Brian Lee Naperville Olejniczak
Original assignee: Praxair ST Technology Inc; Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair ST Technology Inc
Priority date: 1999-11-15
Filing date: 2000-11-14
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2020-11-15
Also published as: DE60025877D1; CA2325922A1; BR0005400A; JP2001191185A; DK1101561T3; EP1101561B8; AU7158800A; EP1101561A3; ES2253173T3; EP1101561B1; EP1101561A2; ATE317313T1; AR026459A1; KR20010051678A; TW464580B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Gravieren einer zylindrischen Flüssigkeitsübertragungswalze gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und auf eine Vorrichtung zum Gravieren eines festen Gegenstands gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 5 (siehe zum Beispiel US-A-5 236 763).
Stand der Technik
Flüssigkeitsübertragungsgegenstände werden in zahlreichen Anwendungen benutzt, die, ohne sich jedoch darauf zu begrenzen, Platten oder Walzen zum Drucken, Dosierplatten oder -walzen für den Offsetdruck, Flexodruck oder Tiefdruck, oder Platten und Walzen zum Auftragen einer Flüssigkeit wie z.B. Druckfarbe, Lack oder flüssiges Harz auf Oberflächen beinhalten, die mit solchen Flüssigkeiten beschichtet werden sollen. In sämtlichen Fällen wird die zu übertragende Flüssigkeit oder Druckfarbe in einer Mehrzahl von Zellen gehalten, die in der Oberfläche der Platte oder Walze graviert ist, wobei die zu übertragende Flüssigkeitsmenge von der Anzahl, Größe und Tiefe der Zellen pro Einheit Fläche der gravierten Oberfläche abhängt. In der Praxis sind die Zellen nahe beieinander in einem eindeutigen Muster paralleler Linien von Zellen ausgebildet. In dem Fall eines Zylinders sind sie vorzugsweise in einer kontinuierlichen Spirale auf der zylindrischen Oberfläche ausgebildet. Obgleich die gravierte Oberfläche in der Form einer Platte vorlegen kann, ist die bei weitem allgemeinste und üblichste Form diejenige eines Zylinders, wobei auf seiner Oberfläche eine kontinuierliche Spirale von Zellen eingraviert ist. Die Spirale aus Zellen ist derart graviert, dass eine Mehrzahl von parallelen Linien von Zellen erzeugt wird, die alle den gleichen Winkel bilden (der üblicherweise als der Rasterwinkel bezeichnet wird), und wobei eine Oberflächenlinie parallel zu der Längsachse des Zylinders bzw. der Walze liegt. Der Winkel kann von etwa 0° bis 90° und beispielsweise 30° oder 60° betragen, jedoch liegt sein gängigerer Wert bei 45°.
Obgleich eine Vielzahl an gravierten Oberflächen zum Übertragen von Flüssigkeit benutzt wird, werden im allgemeinen Keramik- und Metallkarbidoberflächen für die Flüssigkeitsübertragung verwendet, da sie über eine extreme Härte und folglich über eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit verfügen. Aufgrund ihrer Härte erfolgte jedoch bislang das einzige praktikable Verfahren zum Gravieren derartiger Oberflächen durch Laserstrahlen. Obwohl auch kontinuierliche Laserstrahlen zum Gravieren einiger Oberflächen verwendet worden sind, wird jedoch der gepulste Laserstrahl viel häufiger benutzt, da er sich selbst für die Erzeugung diskreter Zellen in der gravierten Oberfläche eignet. Die ausgebildeten Zellen weisen einen spezifischen Durchmesser und eine bestimmte Tiefe auf und können zum Dosieren von Flüssigkeiten mit einem hohen Ausmaß an Genauigkeit und Vorhersagbarkeit verwendet werden.
In einem Verfahren vom Stand der Technik erzeugt jeder Impuls des Laserstrahls eine Zelle. Beim Generieren der Zelle erzeugt der Impuls jedoch auch einen hervorstehenden Bereich (d.h. einen über der ursprünglichen Oberfläche der Walze liegenden Bereich), der als "Aufwurf" bezeichnet wird und um den Umfang jeder Zelle herum vorliegt, welche generell ringförmig ist, jedoch über eine unregelmäßige Breite und Höhe verfügt. Wenn der Laserlichtimpuls auf die Walzenoberfläche fokussiert wird, wird das Keramikmaterial verdampft und von der Oberfläche der Walzen heraus geschleudert. Während dieses Verfahrens verfestigt sich ein Teil des herausgeschleuderten Materials um den Rand der Zellen herum wieder, was zu einem kraterähnlichen Erscheinen führt. Dieser Rand aus wiederverfestigtem Material ist der Aufwurf.
Der Aufwurf macht es unmöglich, dass durch konventionelle Verfahren der Abstand zwischen Zellen entlang der spiralförmigen Gravierlinie auf weniger als etwa des Zweifachen des Abstands entlang einer senkrecht zu der Längsachse der zylindrischen Walze verlaufenden Linie reduziert wird. Der Aufwurf kann durch ein Polieren der gravierten Walze teilweise oder vollständig beseitigt werden. Aufgrund der unregelmäßigen Höhe des Aufwurfs kann sich Flüssigkeit zwischen benachbarten Zellen hin und her bewegen, wenn kein Nachpolieren oder ein nur ungenügendes Polieren zur Reduzierung des Aufwurfs auf flache Grate zwischen den Zellen unternommen wird. Wenn Flüssigkeit zwischen benachbarten Zellen hin und herlaufen kann, wird dieser Typ von Struktur als eine "offene Zellstruktur" bezeichnet. Wenn ein ausreichendes Polieren vollzogen wird, um flache Aufwurfsgrate zu erzeugen, die die gleiche Höhe über der ursprünglichen Oberfläche bzw. die gleiche Höhe wie die ursprüngliche Oberfläche selbst haben, werden die Zellen geschlossen, da eine Bewegung von Flüssigkeit zwischen ihnen nicht mehr länger möglich ist. Dies wird als eine "geschlossene Zellstruktur" bezeichnet, die bevorzugt wird.
Der Aufwurf weist üblicherweise eine unregelmäßige Form auf und ist typischerweise mit scharfen Spitzen versehen. Diese Eigenschaften führen zusätzlich zu den bereits beschriebenen Problemen zu vielen weiteren Schwierigkeiten. Beispielsweise wird in einer Druckmaschine eine Rakel aus Kunststoff oder Metall zur Entfernung überschüssiger Druckfarbe von einer Druckauftragswalzenoberfläche verwendet, bevor die Druckfarbe für den Rest des Verfahrens dosiert wird. Diese Rakel können durch die Unregelmäßigkeiten des Aufwurfs vorzeitig verschleißen oder beschädigt werden. Ebenfalls kann das Rakelmaterial in den Zellen der Druckauftragswalze abgeschieden werden, was zu einem inkonsistenten Dosieren der Druckfarbe von der Walze führen kann. Ein weiteres Problem betrifft die ästhetische Qualität des Gravierens. Die Unregelmäßigkeiten des Aufwurfs verleihen vielen Gravierungen ein raues und "unfertiges" Aussehen und eine schlechte Symmetrie der Zellen. Dies führt dazu, dass das gesamte Erscheinungsbild der gravierten Muster über die Oberfläche der Walzen hinweg unregelmäßig ausfällt.
Beispiele für das Gravieren von Flüssigkeitsübertragungsgegenständen mittels Laserstrahl lassen sich in den folgenden US-Patentschriften finden: 4 108 659, Dini; 4 504 354, George et al.; 4 566 938, Jenkins et al.; 5 093 180, Morgan; 5 143 178, sowie 5 236 763, Luthi.
US-A-5 236 763 offenbart ein Verfahren zum Gravieren einer Reihe fortlaufender Zellen in einer festen Oberfläche wie z.B. einer Flüssigkeitsübertragungsoberfläche, indem ein gepulster Laserstrahl auf die Oberfläche zum Auftreffen gebracht wird, wobei die Impulse des Laserstrahls in einer Reihe aufeinander folgender Gruppen von zwei oder mehreren fortlaufenden Impulsen ausgebildet werden und wobei jede dieser Gruppen eine einzelne Zelle in der festen Oberfläche ausbildet.
In WO-A-9 505 944 ist ein Laserdrucker beschrieben, der eine Druckmaschine zur Erzeugung eines Bildes auf einem Druckmedium verwendet. Die Druckmaschine teilt einen Lichtstrahl in eine Mehrzahl von dispergierten Lichtstrahlen gleicher Intensität auf. Die dispergierten Strahlen werden zur Ausbildung eines Pixelbilds kollimiert und auf dem Druckmedium fokussiert.
Darüber hinaus offenbart JP-A-04 094 881 eine Lasermarkierungvorrichtung, bei der ein Halbspiegel zur Aufteilung des Laserstrahls verwendet wird, damit die Breite der Markierungslinie um das Zweifache vergrößert und damit die Verarbeitungszeit deutlich verringert wird.
Es hat sich gezeigt, dass viele dieser Probleme durch ein erneutes Gravieren einer Fläche auf der bereits gravierten Walzenoberfläche vermieden werden können. Erneut gravierte (d.h. mindestens doppelt gravierte) Zellen können wesentlich symmetrischer angefertigt werden und der Aufwurf kann geglättet und abgerundet werden. Dies sollte es ebenfalls ermöglichen, dass Zellwände zwischen den einzelnen Zellen dünner und glatter angefertigt werden können. Weiterhin sollten die Böden der Zellen glatter und offener gemacht werden können. Die Tiefe der Zellen kann um 20 bis 30 % oder noch mehr tiefer als solche Zellen gemacht werden, die nur einmal von einem Laserstrahl "getroffen" werden.
Dieses Verfahren zum Wiedergravieren überwindet viele derjenigen Probleme, die mit dem konventionellen Gravierverfahren mit einem nur einmaligen Auftreffen verbunden sind. Ein beim Stand der Technik vorliegendes Verfahren zum Wiedergravieren ist in den oben angeführten Patentschriften von Luthi beschrieben. In diesem Verfahren werden die Impulse des Laserstrahls in einer Reihe von aufeinander folgenden Gruppen ausgebildet, wobei jede Gruppe aus zwei oder mehr aufeinander folgenden und in Abstand angeordneten Impulsen besteht. Das Auftreffen jeder Gruppe von Impulsen auf der gravierten festen Oberfläche bildet eine einzelne Zelle in dem Flüssigkeitsübertragungsgegenstand aus.
Für das erneute Gravieren sind auch weitere Verfahren bekannt. Ein Ansatz besteht in einem ersten Gravieren der Walze, woraufhin die Fokussieroptik in ihre Ausgangsstellung zurückgeführt wird. Anschließend wird die gesamte Walze erneut graviert. Eine Schwierigkeit mit diesem Ansatz besteht in der Sicherstellung einer geeigneten Lagegenauigkeit oder Überlappung zwischen den ersten und den zweiten Gravierungen. Weiterhin ist das Verfahren langsam und kostspielig, da das Gravierverfahren zwei Mal wiederholt werden muss, um die abschließend erneut gravierte Walze zu erzeugen.
Ein weiterer Ansatz verwendet konventionelle strahlenbrechende optische Elemente zum Teilen eines Laserstrahls in zwei Strahlen, wobei für jeden Strahl eine separate fokussierte Stelle vorliegt. Durch ein Einstellen von Spiegeln in dem optischen Pfad dieses Ansatzes kann die zweite fokussierte Stelle auf eine zuvor gravierte Zelle eingestellt werden. Dieser Ansatz erfordert ein Steuergerät zur Positionierung der Spiegel, wenn die Graviermuster verändert werden. Typischerweise werden in diesem Ansatz zwei Strahlteiler verwendet, die einen Energieverlust von 50 % erzeugen können, da der zweite Strahlteiler die Energie der beiden Strahlen ein zweites Mal teilt. Die meisten kommerziellen Laser würden nicht über ausreichend Energie verfügen, um einen derartigen Energieverlust von z.B. 50 % tolerieren zu können, ohne dass sich nicht die Verarbeitungsgeschwindigkeit des Gravierens für die Flüssigkeitsübertragungswalzen verlangsamt. Eine Strahlenbrechung der beiden Laserstrahlen durch eine gemeinsame Fokussierlinse kann unter Verwendung dieser Technik zu einer Verzerrung der Strahlenform führen, die es wiederum bewirkt, dass die gravierten Zellen eine leicht elliptische Form anstatt der gewünschten runden Form aufweisen. Weiterhin ist dieser Ansatz sehr teuer, wobei die Kosten für die Laserbearbeitungsvorrichtung bis zu 60.000 US-Dollar und für das Steuergerät sowie die zum Betreiben erforderliche Software bis zu 50.000 US-Dollar betragen können.
Noch ein weiterer Ansatz verwendet einen akustisch-optischen Modulator zum Modulieren eines kontinuierlichen Laserenergiestrahls, damit eine Zelle erneut graviert werden kann. Beispielsweise wird eine Zelle durch den Laserstrahl graviert und anschließend wird der Strahl zu der nächsten Zellposition auf dem Walzenumfang hin abgelenkt, um diese Zelle zu gravieren. Danach wird der Strahl zurück zu der ursprünglichen Zelle abgelenkt, die dann ein zweites Mal bearbeitet wird. Anschließend wird das Verfahren um den Walzenumfang herum wiederholt. Es wird davon ausgegangen, dass dieser Ansatz nicht diejenige erwünschte Qualität des Gravierens von Walzen erbringt, die mit den anderen Ansätzen möglich ist. Die allgemein für Aniloxwalzen verwendeten Keramikmaterialien sind beispielsweise schlechte Wärmeleiter. Es hat sich gezeigt, dass die anfänglich gravierte Zelle eine gewisse Zeit zum Abkühlen und für ein vollständiges Wiederverfestigen benötigt, damit aus dem zweiten "Auftreffen" durch das Gravieren ein vollständiger Vorteil gezogen werden kann. Dieser Ansatz stellt keinen ausreichenden Zeitraum für ein geeignetes Abkühlen zur Verfügung, wodurch die Qualität im Vergleich zu anderen Verfahren zum Wiedergravieren reduziert wird. Weiterhin ist dieses System sehr teuer und kostet jeweils bis zu 90.000 US-Dollar.
Die Strahlteilungs- und Strahlmodulationssysteme können mit vielen der bestehenden Graviermaschinen nur in begrenztem Umfang nachgerüstet werden. Die physikalische Größe und notwendigen Strahlcharakteristika dieser Maschinen erfordern üblicherweise signifikante und kostspielige Modifikationen der Maschinen, um diese mit den derartigen Systemen nachrüsten zu können.
Hoch erwünscht wäre ein Verfahren zum Wiedergravieren, das eine verbesserte Effizienz und Durchsatzleistung aufweist, ohne dass die Qualität des gravierten Produkts verringert wird. Wie nachfolgend beschrieben werden wird bewerkstelligt die vorliegende Erfindung diese Verbesserungen bei signifikant niedrigeren Kosten als dies bei Ansätzen vom Stand der Technik der Fall war, indem ein optisches System unter Benutzung eines diffraktiven optischen Elements verwendet wird.
Diffraktive optische Elemente bzw. binäre Beugungsgitter haben verschiedene Anwendungen gefunden, die in den folgenden Patentschriften und Veröffentlichungen beschrieben worden sind:

– US-Patentschriften: 4 436 398, Endo et al.; 5 786 560, Tatah et al. und 5 914 814, Ang.
– "Diffractive Optics Move Into The Commercial Arena", von M. R. Feldman. Erschienen in der Laser Focus World, Edition Oktober 1994, veröffentlicht von PennWell Publishing Co.;
– "Diffractive Optics Improve Product Design", von M. R. Feldman et al. Erschienen in der Photonics Spectra, Ausgabe September 1995, veröffentlicht von Laurin Publishing Co. Inc.;
– "Laser Beam Shapes For The Future" von G. Sharp, et al. Erschienen in der Industrial Laser Review, Edition Dezember 1994, veröffentlicht von PennWell Publishing Co.; und
– "Binary Optics: New Diffractive Elements For The Designer's Tool Kit", von A. Kathman. Erschienen in der Photonics Spectra, Ausgabe September 1992, veröffentlicht von Laurin Publishing Co., Inc.

Insbesondere die Patente von Endo et al. und Tatah et al. sowie die 2. Veröffentlichung in der obigen Liste stellen beispielsweise heraus dass eine diffraktive Optik einen einzelnen Laserstrahl in mehrere Ausgangsstrahlen umwandeln kann. Allerdings ist dort nicht die Verwendung einer diffraktiven Optik für die Bereitstellung geteilter Strahlen zum Gravieren und Wiedergravieren und insbesondere für die Herstellung eines Flüssigkeitsübertragungsgegenstands angegeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Gravieren einer zylindrischen Flüssigkeitsübertragungswalze gemäß Anspruch 1 und auf eine Vorrichtung zum Gravieren eines festen Gegenstands gemäß Anspruch 5.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Laserstrahl und vorzugsweise ein gepulster Laserstrahl erzeugt. Der Laserstrahl wird in mindestens zwei Strahlen geteilt, wobei jeder der Strahlen eine fokussierte Stelle an der Oberfläche ausbildet. Die fokussierten Stellen sind zueinander in Abstand angeordnet. Die Strahlen bilden mindestens ein Strahlpaar aus, wobei jedes Strahlpaar so angeordnet ist, dass gleichzeitig eine neue Zelle mit der fokussierten Stelle eines ersten Strahls des Strahlpaars graviert und eine zuvor gravierte Zelle mit der fokussierten Stelle eines zweiten Strahls des Strahlpaars erneut graviert wird. Das Teilen des ursprünglichen Laserstrahls wird dadurch bewerkstelligt, dass der Laserstrahl durch eine optische Vorrichtung mit einem diffraktiven optischen Element geleitet wird, um mindestens den ersten Strahl und den zweiten Strahl mit den in Abstand angeordneten fokussierten Stellen auszubilden. Das Verfahren verwendet die geteilten Strahlen zum Gravieren und Wiedergravieren einer Mehrzahl von Zellen in der Oberfläche des Gegenstands.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden mehr als zwei Strahlen ausgebildet, sodass für jeden geteilten Strahl, der eine neue Zelle graviert, ein weiterer geteilter Strahl vorliegt, der eine zuvor gravierte Zelle erneut graviert. Die Verfahren dieser Erfindung sind für die Herstellung solcher Flüssigkeitsübertragungsgegenstände besonders nützlich, die wie oben beschrieben über zahlreiche Anwendungen verfügen.
Jede Zelle bildet eine Öffnung in der Oberfläche des Gegenstands aus, die eine erste Zentralachse und eine normal zu der ersten Achse stehende zweite Zentralachse aufweist, wobei sich die Achsen an einem Zentralachsenpunkt schneiden. Der Gravierschritt beinhaltet das Gravieren von in mindestens zwei Reihen angeordneten Zellen, wobei eine durch die ersten Achsen der Zellen in einer Reihe gezogene Linie im wesentlichen parallel zu einer Linie liegt, die durch die ersten Achsen der Zellen in einer benachbarten Reihe gezogen wird; und wobei mindestens die zweiten Achsen eines Teils der Zellen in einer Reihe zwischen den zweiten Achsen von zwei in Abstand angeordneten Zellen in einer benachbarten Reihe ausgerichtet sind. Die Länge des nicht gravierten Abstands zwischen zwei Zellen in einer Reihe entlang einer Linie, in der ihre ersten Achsen enthalten sind, beträgt zwischen dem 1- bis 1,3-Fachen der Länge eines nicht gravierten Abstands zwischen einer der Zellen in der Reihe und einer benachbarten Zelle in einer benachbarten Reihe entlang einer die Zentralachsenpunkte der Zellen umfassenden Linie. Die Zellen sind so ausgerichtet, dass eine durch den Zentralachsenpunkt einer Zelle in einer Reihe und durch einen Zentralachsenpunkt einer benachbarten Zelle in einer benachbarten Reihe gezogene Linie einen Winkel zwischen größer als 0° und kleiner als 90° mit einer parallel zu der Längsachse des zylindrischen Gegenstands gezogenen Linie ausbildet. Am bevorzugtesten beträgt der Winkel mehr als 60°, jedoch weniger als 90°.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Zellen mit einem im wesentlichen gleichen Abstand zueinander angeordnet; und die Länge des nicht gravierten Abstands zwischen zwei Zellen in einer Reihe entlang einer ihre ersten Achsen aufweisenden Linie ist im wesentlichen gleich zu der Länge des nicht gravieren Abstands zwischen einer der Zellen und einer benachbarten Zelle in einer benach barten Reihe entlang einer Linie, die die Zentralachsenpunkte der Zellen aufweist.
Vorzugsweise ist das diffraktive optische Element aus einem Material ausgebildet, das für den Laserstrahl transparent ist. Vorteilhafterweise beträgt die Wellenlänge von 0,1 bis 15 μm und am vorteilhaftesten von 1 bis 15 μm. Am bevorzugtesten ist die Wellenlänge des Laserstrahls 10,6 μm.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Gravieren eines festen Gegenstands bereitgestellt, damit auf mindestens einem Teil einer Oberfläche des Gegenstands eine Mehrzahl von in Abstand angeordneten gravierten Zellen angeordnet wird. Die Vorrichtung beinhaltet einen Laserstrahlerzeuger zum Erzeugen eines Laserstrahls. Vorzugsweise ist der erzeugte Laserstrahl ein gepulster Laserstrahl. Eine optische Vorrichtung mit einem diffraktiven optischen Element wird zum Teilen des Laserstrahls in mindestens zwei Strahlen bereitgestellt, wobei jeder der Strahlen eine fokussierte Stelle an der Oberfläche ausbildet. Das diffraktive optische Element wird entlang der Achse des zum Teilen des Strahls in mindestens zwei Strahlen generierten Laserstrahls angeordnet, wobei diese Strahlen anschließend durch eine Brechungslinse geführt werden, um die fokussierten Stellen an der Oberfläche auszubilden. Jeder der Strahlen ist unter einem Abstand zu den anderen Strahlen angeordnet. Die optische Vorrichtung bildet die Strahlen in Paaren aus, wobei jedes Strahlenpaar zum gleichzeitigen Gravieren einer neuen Zelle mit der fokussierten Stelle eines ersten Paars des Strahlpaars und zum erneuten Gravieren einer zuvor gravierten Zelle mit der fokussierten Stelle eines zweiten Paars des Strahlpaars vorgesehen ist. Es ist eine Anordnung bereitgestellt, um jedes Strahlpaar zum Gravieren und Wiedergravieren einer Mehrzahl von Zellen in der Oberfläche des Gegenstands zu verwenden. Vorzugsweise ist der Gegenstand, der durch die in Anspruch 5 definierte Vorrichtung graviert wird, eine zylindrische Flüssigkeitsübertragungswalze.
Vorzugsweise stellt die optische Vorrichtung mehr als zwei Strahlen bereit und für jeden geteilten Strahl zum Gravieren einer neuen Zelle wird ein weiterer geteilter Strahl zum erneuten Gravieren einer zuvor gravierten Zelle vorgesehen.
Vorzugsweise ist das diffraktive optische Element aus einem Material ausgebildet, das für den Laserstrahl transparent ist.
Das durch das Verfahren dieser Erfindung erzeugte Produkt stellt ebenfalls eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar.
Daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Wiedergravieren, das über eine verbesserte Effizienz und Durchsatzleistung verfügt, ohne die Qualität des gravierten Produkts zu beeinträchtigen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines solchen Verfahrens, das eine diffraktive optische Vorrichtung zum Teilen eines Laserstrahls der Graviervorrichtung verwendet.
Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer verbesserten Vorrichtung für ein erneutes Gravieren zur Durchführung des Verfahrens zum Wiedergravieren, bei dem eine diffraktive optische Vorrichtung zum Teilen des zum Gravieren verwendeten Laserstrahls benutzt wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Herstellung eines Flüssigkeitsübertragungsgegenstands durch das Verfahren der Erfindung mit reduzierten Herstellungskosten.
Die obigen und weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung deutlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht einer Lasergraviervorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung.
2 ist eine schematische, teilweise perspektivische Ansicht einer gravierten Oberfläche eines bereitgestellten Produkts.
3 ist eine schematische Ansicht der Vorrichtung von 1, die ein bevorzugtes Zellmuster illustriert, das von der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß der bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung hergestellt werden kann.
Ausführliche Beschreibung
Obgleich die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschrieben werden wird, sollte sich verstehen, dass die vorliegende Erfindung in vielen verschiedenen Ausführungsformen realisiert werden kann. Weiterhin könnte jede geeignete Größe, Form oder Typ von Materialien oder Elementen benutzt werden.
Auf 1 Bezug nehmend bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung 10 zum Gravieren und Wiedergravieren einer Reihe aufeinander folgender Zellen 12 in einer festen Oberfläche 14, indem auf die feste Oberfläche 14 Laserstrahlen 16 auftreffen, die sich relativ zu der Oberfläche 14 bewegen. Im Einzelnen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das Gravieren und Wiedergravieren fester Oberflächen 14, indem mehrere Laserstrahlen 16 mehrere in Abstand angeordnete Fokussierungsstellen 24 und 26 an der Oberfläche 14 aufweisen. Die Laserstrahlen 16 mit den in Abstand angeordneten Fokussierungsstellen 24 und 26 werden von einem Lasergenerator 18 erzeugten einzelnen Laserstrahl 15 unter Verwendung eines diffraktiven optischen Elements 20 und einer Brechungslinse 22 ausgebildet.
Die relative Bewegung der Fokussierungsstellen 24 und 26 der Laserstrahlen zu der Oberfläche 14 kann durch jede erwünschte konventionelle Anordnung bewerkstelligt werden, die beim Stand der Technik wohlbekannt ist. Beispielsweise könnte der Lasergenerator 18 und ein optisches System 30 oder die Oberfläche 14 bzw. Kombinationen daraus durch eine computergesteuerte Servo- oder Schrittschaltvorrichtung 28 und 29 bewegt werden, um die zum Gravieren der Zellen 12 erforderliche Relativbewegung bereitzustellen. Die Mechanismen für eine Querbewegung der Arbeitsoberfläche 14 unter einem Laserstrahl sind wohlbekannt und bilden keinen Teil dieser Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Laserstrahl, der generiert wird, ein gepulster Laserstrahl. Die optische Vorrichtung 30 umfasst ein diffraktives optisches Element 20 zum Teilen des Laserstrahls 15 in mindestens zwei Strahlen 16, wobei jeder der Strahlen 16 fokussierte Stellen 24 oder 26 oder ähnliches an der Oberfläche 14 ausbildet. Vorzugsweise ist das diffraktive optische Element 20 entlang der Achse 34 des durch den Generator 18 erzeugten Laserstrahls 15 ausgerichtet und teilt den Strahl in mindestens zwei Strahlen auf, die anschließend durch eine Brechungslinse 22 geführt werden, um die fokussierten Stellen 24 und 26 an der Oberfläche 14 auszuformen. Vorzugsweise ist jeder der Strahlen 16 in Abstand zu jedem anderen Strahl 16 angeordnet. Die optische Vorrichtung 30 bildet die Strahlen 16 vorzugsweise in Paaren aus, wobei jedes Paar der Strahlen 16 zu einem gleichzeitigen Gravieren einer neuen Zelle 12 mit der fokussierten Stelle 22 eines ersten Strahls des Strahlpaars 16 und zum erneuten Gravieren einer zuvor gravierten Zelle 12 mit der fokussierten Stelle 24 eines zweiten Strahls des Strahlpaars 16 vorgesehen ist. Vorzugsweise wird eine Steueranordnung 32 bereitgestellt, damit jedes Strahlpaar 16 zum Gravieren und Wiedergravieren einer Mehrzahl von Zellen 12 in der Oberfläche 14 des Gegenstands 36 verwendet wird. Vorzugsweise ist der Gegenstand 36 ein Flüssigkeitsübertragungsgegenstand.
Die diffraktiven optischen Elemente 20 (die manchmal auch als ein Diffraktionsbeugungsgitter oder ein binäres Beugungsgitter bezeichnet werden) sind in den oben angeführten Patentschriften und Publikationen umfänglich beschrieben. Die Charakteristika eines Laserstrahls 15 bei jeder gegebenen Bildebene können als die Summe der Phasenbeziehungen der Photonen definiert werden, die den Strahl 15 ausbilden. Durch eine Veränderung der Phasenbeziehungen in dem Strahl 15 mit einem diffraktiven optischen Element 20 kann der Strahl mit einem nur geringen Energieverlust in mehrere Strahlen 16 aufgeteilt werden, da die Energie des Strahls 15 im wesentlichen umgeordnet wird, um die sich ergebenden Strahlen 16 bereitzustellen. Ein diffraktives optisches Element 20 bricht die eintretenden Lichtwellen in dem Strahl 15 zu einer großen Anzahl an Wellen, die sich auf der anderen Seite des optischen Elements 20 rekombinieren und neue Wellen ausbilden. Die neuen Wellen können sich in eine andere Richtung als diejenige des eintretenden Lichts bewegen. Daher kann ein diffraktives optisches Element 20 einen einzelnen Strahl 15 in mehrere Ausgangsstrahlen 16 umwandeln. Das diffraktive optische Element 20 bricht die Lichtwelle bzw. den Lichtstrahl 15, die/der durch ein mikroskopisches Muster gedrängt wird, das typischerweise unter Verwendung einer konventionellen Photolithographie in die Oberfläche des diffraktiven Elements 20 geätzt wird.
Das diffraktive optische Element 20 ist dazu ausgelegt, die Einfallsphasenbeziehung der Strahlen 15 zu verändern, sodass die Fokussierlinse 22 mindestens zwei fokussierte Stellen 24 und 26 mit einer im wesentlichen gleichen Intensität bei einem feststehenden Abstand erzeugt, um zu ermöglichen, dass eine fokussierte Stelle 24 die Zellen 12 in eine Oberfläche 14 graviert, deren Material noch unberührt ist, während die zweite fokussierte Stelle 26 die zuvor gravierten Zellen 12 in einem einzigen Durchgang über die Oberfläche 14 erneut graviert. Das diffraktive optische Element 20 verändert die Phasenbeziehung des Strahls 15 derart, dass die Linse 22 mindestens zwei Strahlen 16 sieht, die unter einem Winkel zu der Stirnseite der Linse 22 hin vorliegen. Dies führt dazu, dass die Linse 22 eine Anzahl an fokussierten Stellen 24 und 26 erzeugt, die der Anzahl an Strahlen 16 entspricht, welche die Linse empfängt. Da das diffraktive Element 20 die Phasenbeziehungen des Strahls 15 präzise verändern kann, kann der Abstand der fokussierten Stellen 24 und 26 auf eine wiederhol- und vorhersehbare Weise feststehend werden.
Die Kosten eines diffraktiven optischen Elements 20 betragen einige 1000 US-Dollar. Das Element kann ebenfalls in eine bestehende Gravierausrüstung nachgerüstet werden, da es zu den meisten Graviersystemen 10 kompatibel ist. Weiterhin sind Effizienzverbesserungen des Gravierverfahrens bzw. des Verfah rens zum Wiedergravieren von mindestens etwa 30 % beobachtet worden. Das diffraktive Element 20 fügt in Kombination mit der Fokussierlinse 20 den beiden fokussierten Stellen 24 und 26 keine sichtbaren Verzerrungen zu, wodurch eine gute Symmetrie der Zelle 12 aufrechterhalten wird.
Die Qualität des Gravierens, die durch die Verwendung eines diffraktiven optischen Elements 20 in der optischen Vorrichtung 30 zum Teilen des Strahls 15 in mehrere Strahlen 16 bereitgestellt wird, wird gegenüber der verfügbaren Technologie für ein Wiedergravieren signifikant verbessert. Die drei verbesserten Aspekte des Wiedergravierens mit dem optischen System 30 betreffen das Glätten der Wände der Zelle 12 sowie des Aufwurfs, die verbesserte geometrische Definition der Form der Zelle 12 sowie die gesteigerte Tiefe der Zelle 12. Die Tiefe der Zelle 12 wird deshalb gesteigert, da die zweite fokussierte Stelle 26 unter die Oberfläche 14 in die zuvor gravierte Zelle 12 fokussieren kann. Zusätzlich stellt ein Teilen des Strahls 15 mit einem diffraktiven optischen Element 20 aufgrund der Effizienz des diffraktiven optischen Elements 20 für jeden geteilten Strahl 16 eine höhere Energie im Vergleich zu den geteilten Strahlen des optischen Strahls 15 von Stand der Technik bereit. Dies ermöglicht die Erhöhung der Geschwindigkeit des Graviervorgangs, wodurch die Produktivität signifikant verbessert wird.
Vorzugsweise ist das diffraktive optische Element 20 zum Teilen des Strahls 15 in mehr als zwei Strahlen 16 ausgelegt. In einer solchen bevorzugten Anordnung wird für jeden geteilten Strahl 16 zum Gravieren einer neuen Zelle 12 ein weiterer geteilter Strahl 16 zum Wiedergravieren einer zuvor gravierten Zelle 12 bereitgestellt.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Gravieren einer zylindrischen Flüssigkeitsübertragungswalze bereitgestellt, um auf mindestens einem Teil einer Oberfläche 14 der Walze 36 eine Mehrzahl von in Abstand angeordneten gravierten Zellen 12 auszubilden. Ein Laserstrahl 15 wird vorzugsweise als ein gepulster Laserstrahl generiert. Der Laserstrahl 15 wird in mindestens zwei Strahlen 16 geteilt, wobei jeder der Strahlen 16 eine fokussierte Stelle 24 bzw. 26 an der Oberfläche 14 ausbildet. Die fokussierten Stellen 24 und 26 sind in Abstand zueinander angeordnet. Die Strahlen 16 bilden generell Strahlpaare aus, wobei jedes Strahlpaar für das gleichzeitige Gravieren einer neuen Zelle 12 mit der fokussierten Stelle 24 eines ersten Strahls des Strahlpaars 16 und für das Wiedergravieren einer zuvor gravierten Zelle 12 mit der fokussierten Stelle 26 eines zweiten Strahls des Strahlpaars 16 angeordnet ist. Das Teilen des ursprünglichen Laserstrahls 15 wird dadurch bewerkstelligt, dass dieser durch eine mit einem diffraktiven optischen Element 20 versehene optische Vorrichtung 30 geführt wird, um mindestens den ersten Strahl und den zweiten Strahl mit den in Abstand angeordneten fokussierten Stellen 24 und 26 auszubilden. Das Verfahren verwendet die geteilten Strahlen 16 zum Gravieren und Wiedergravieren einer Mehrzahl von Zellen 12 in der Oberfläche des Gegenstands. Vorzugsweise wird das Verfahren computergesteuert, sodass eine geeignete Relativbewegung zwischen der Oberfläche 14 der Walze 36 und den Strahlen 16 bereitgestellt wird, um die erwünschte Reihe von Zellen 12 auf der Oberfläche 14 auszubilden. Dabei kann jedes erwünschte Computersteuergerät und damit assoziierte Software, die beim Stand der Graviertechnik bekannt sind, verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden mehr als zwei Strahlen 16 ausgebildet, sodass für jeden geteilten Strahl, der eine neue Zelle graviert, ein weiterer geteilter Strahl vorhanden ist, der eine zuvor gravierte Zelle erneut graviert. Die Verfahren dieser Erfindung sind für die Herstellung von Flüssigkeitsübertragungswalzen 36 besonders nützlich, die wie oben beschrieben zahlreiche Anwendungen aufweisen.
Nun auf die 2 und 3 gemäß der Erfindung Bezug nehmend bildet jede Zelle 12 eine Öffnung 40 in der Oberfläche 14 der Walze 36 aus, die eine erste Zentralachse 42 und eine normal zu der ersten Achse stehende zweite Zentralachse 44 aufweist, wobei sich die Achsen an einem Zentralachsenpunkt 46 schneiden. In dieser Ausführungsform weist der Gravierschritt das Gravieren der in mindestens zwei Reihen 48 angeordneten Zellen 12 auf, wobei eine durch die ersten Achsen 42 der Zellen 12 in einer Reihe 48 gezogene Linie im wesentlichen parallel zu einer durch die ersten Achsen 42 der Zellen in einer benachbarten Reihe 48' gezogenen Linie liegt. Die zweiten Achsen 44 mindestens eines Teils der und vorzugsweise aller Zellen 12 in einer Reihe 48 fluchten zwischen den zweiten Achsen 44 der zwei in Abstand angeordneten Zellen 12 in einer benachbarten Reihe 48'.
Vorzugsweise beträgt die Länge des nicht gravierten Abstands 50 zwischen zwei Zellen 12 in einer Reihe 48 oder 48' entlang einer Linie, die ihre ersten Achsen 42 umfasst, zwischen dem 1- bis 1,3-Fachen der Länge eines nicht gravierten Zwischenraums 52 zwischen einer der Zellen 12 in der Reihe 48 und einer benachbarten Zelle in einer benachbarten Reihe 48' entlang einer Linie 54, die die Zentralachsenpunkte 46 der Zellen 12 enthält. Ebenfalls sind die Zellen 12 vorzugsweise so ausgerichtet, dass eine durch die Zentralachsenpunkte 46 einer Zelle 12 in einer Reihe 48 gezogene Linie 42 und eine durch die Zentralachsenpunkte 46 einer Zelle in einer Reihe 48 und einer benachbarten Zelle 12 in einer benachbarten Reihe 48' gezogene Linie 54 einen Winkel α von 0° bis 90° mit einer Linie parallel zu einer Längsachse des zylindrischen Gegenstands bilden. Vorteilhafterweise liegt der Winkel α zwischen mehr als 0° und weniger als 90°. Am vorteilhaftesten beträgt der Wert des Winkels α mehr als 60° und weniger als 90°. Die Achse 42 liegt parallel zu der Achse der Walze 36. Der Winkel α wird üblicherweise als ein Rasterwinkel bezeichnet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Zellen 12 mit einem im wesentlichen gleichen Abstand zueinander angeordnet und die Länge des nicht gravierten Abstands 50 zwischen zwei Zellen 12 in einer Reihe 48 entlang einer Linie, die ihre ersten Achsen 42 umfasst, ist im wesentlichen gleich zu der Länge des nicht gravierten Zwischenraums 52 zwischen einer der Zellen 12 in der Reihe 48 und einer benachbarten Zelle 12 in einer benachbarten Reihe 48' entlang einer Linie, welche die Zentralachsenpunkte 46 der Zellen 12 umfasst.
Auf die 1–3 und insbesondere auf 3 Bezug nehmend sind die Linien 54 wie dargestellt in eine Sequenz von "A"- und "B"-Linien aufgeteilt. Eine "B"-Linie 54 tritt an jeder Seite einer "A"-Linie 54 und umgekehrt auf. Von dem diffraktiven Element 20 können vier fokussierte Stellen 24 oder 26 bereitgestellt werden. Ein derartiges diffraktives Element ist in einer alternativen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bzw. der Vorrichtung 10 erfolgreich verwendet worden. In dem Verfahren bzw. der Vorrichtung 10 mit vier fokussierten Stellen werden zwei fokussierte Stellen 24 zum Gravieren der Zellen 12 und zwei fokussierte Stellen 26 werden zum Wiedergravieren der Zellen 12 verwendet. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird das Steuergerät 32 für die Anpassung von zwei Gravierstellen 24 programmiert, wobei die eine Stelle nur die "A"-Linien und die andere Stelle nur die "B"-Linien graviert. Ähnlich dazu werden die beiden erneut gravierenden Stellen 26 dazu angeordnet, dass eine Stelle nur die "A"-Linien und die andere Stelle nur die "B"-Linien graviert. Beispielsweise kann das diffraktive Element 20 mit vier Stellen einen Vorteil aus dieser Konfiguration ziehen, indem die ersten und die dritten Stellen 24 die "A"- und "B"-Linien gravieren und die zweiten und vierten Stellen 26 diese Linien erneut gravieren. Dies weist den Vorteil einer Verdoppelung der Geschwindigkeit des Gravierverfahrens auf, während die von dieser Erfindung bewerkstelligten Verbesserungen beibehalten werden. Diffraktive Elemente 20 mit sechs und acht Stellen könnten unter Verwendung dieses Ansatzes eine drei- bzw. vierfache Erhöhung der Graviergeschwindigkeit bereitstellen, vorausgesetzt dass der Lasergenerator 18 für sämtliche fokussierten Stellen 24 und 26 eine ausreichende Energie erzeugen kann.
Da das diffraktive Element 20 ein einzelnes optisches Element mit ähnlichen Abmessungen wie die Fokussierlinse 22 ist, sind für seinen Einsatz nur wenige oder gar keine Modifikationen des optischen Systems 30 notwendig. Dies lässt das Element kompatibel mit nahezu sämtlichen bestehenden Graviersystemen 10 werden und es kann in diesen Systemen leicht nachgerüstet werden. Obgleich in dem optischen System 30 vorzugsweise ein diffraktives Element 20 verwendet wird, könnten auf Wunsch auch mehrere diffraktive Elemente benutzt werden. Das diffraktive optische Element 20 wird unmittelbar hinter der Fokussierlinse 22 zwischen der Linse 22 und dem Strahlerzeuger 18 montiert. Die Stellung der beiden fokussierten Stellen 24 und 25 kann zu den Graviermustern ausgerichtet werden, indem das diffraktive optische Element 20 und die Fokussierlinse 22 in einer (nicht dargestellten) gemeinsamen Linsenbaugruppe gedreht werden. Der Abstand der zwei fokussierten Stellen 24 und 26 hängt von dem Entwurf des diffraktiven Elements 20 und der Brennweite der Linse 22 ab. Die Gleichung zur Berechnung des Abstands lautet wie folgt: H = F tan θwobei H der Abstand des Halbwinkels, F die Brennweite der Linse und θ der diffraktive Winkel ist, der für das diffraktive optische Element 20 entworfen ist.
Für das konventionelle Gravieren von Anilox-Flüssigkeitsübertragungswalzen 36 bestehen drei Muster der Zellen 12, die allgemeinen verwendet werden, und namentlich solche Muster mit Rasterwinkeln α von 30°, 45° und 60°. Die "Lines Per Centimeter" (LPC)- bzw. Rastergröße wird durch eine Zählung der Anzahl an Zellen 12 bestimmt, die entlang des spezifizierten Rasterwinkels α liegen. Der Computer 32 berechnet basierend auf den Eingangsdaten, die aus dem Durchmesser der Walze 36, dem Rasterwinkel α und der LPC-Größe bestehen, diejenige Anzahl an Zellen 12, die um die Peripherie der Walze 36 herum passen. Das Steuergerät 32 berechnet die Positionen für zwei vollständige Reihen 54 aus Zellen 12 um die Peripherie der Walze 36. Diese Reihen oder Linien 54 wurden zuvor als die "A"- und "B"-Linien erwähnt. Nachdem die erste Zellreihe, d.h. die "A"-Linie erzeugt worden ist, verschiebt der Computer 32 die Position des optischen Systems 30 zu der Stellung für die nächste Zellreihe, d.h. die "B"-Linie, sodass die zuvor gravierte "A"-Linie nicht überlappt wird. Durch das Verschieben der Position der "B"-Linie bezüglich der "A"-Linie um die Peripherie der Walze 36 herum und durch das Vorrücken des optischen Systems 30 um weniger als die gesamte Breite der Zelle 12 greifen die beiden Linien "A" und "B" ineinander und erzeugen ein Muster, das ähnlich wie das in 2 dargestellte Bienenwabenmuster ist. Dieses Verfahren des Vorrückens der Position des optischen Systems 30 und des Wechselns zwischen der Position der "A"- und der "B"-Linie wird über die axiale Länge 56 der Walze 36 hinweg wiederholt. Der Computer kann den Abstand 50 oder 52 der Zellen 12 um die Peripherie und entlang der Achse 56 der Walze 36 verändern, um die erwünschte LPC-Größe und den Rasterwinkel α zu generieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung, die mindestens zwei fokussierte Stellen 24 und 26 verwendet, welche von dem optischen System 30 erzeugt werden, sind die Stellen 24 und 26 vorzugsweise parallel zu den "A"- und "B"-Linien und am bevorzugtesten parallel zu der Achse 56 der Walze 36 ausgerichtet. Die beiden von dem diffraktiven Element 20 erzeugten Stellen 24 und 26 drehen um einen Punkt herum, der zwischen den beiden Stellen liegt. Die beiden Stellen 24 und 26 sind um 180° auseinander angeordnet. Das diffraktive Element 20 kann etwas gedreht werden, um zu versuchen, die zweite bzw. nachlaufende Stelle 26 direkt mit dem Mittelpunkt der Zellen 12 auszurichten, die von der ersten bzw. führenden Stelle 24 erzeugt worden ist, sodass eine Stelle 24 die Oberfläche 14, deren Material noch unberührt ist, und die zweite Stelle 26 die zuvor gravierten Zellen graviert.
Liegen die beiden Stellen nahezu parallel zu den "A"- und "B"-Linien, bewegt ein Drehen des diffraktiven Elements 20 um einige wenige Zehntel Grad die Stellen weiter entlang der Walzenachse 56. Eine Veränderung der LPC-Größe führt dazu, dass die Anordnung der Zelle 12 weiter entlang der Peripherie der Walze 36 bewegt wird. Durch das Kombinieren der Drehung des diffraktiven Elements 20 und der Veränderung der LPC-Größe kann die nachlaufende Stelle 26 direkt in die Mitte der zuvor gravierten Zellen 12 positioniert werden, wodurch die erwünschten Wiedergravierungseffekte dieser Erfindung bewerkstelligt werden.
Das optische System 30 ist mit allen Steuergeräten 32 kompatibel, die für das Gravieren von Flüssigkeitsübertragungswalzen 36 verwendet werden, da sie alle ähnliche Verfahrenstechniken zur Generierung der erwünschten Musterung der Zelle 12 anwenden. Da der Abstand zwischen den Stellen 24 und 26 feststeht, werden jedoch Computer 32 bevorzugt, die diese Muster mit einem hohen Grad an Genauigkeit und Konsistenz bezüglich der Anordnung der Zellen 12 generieren können, um sicherzustellen, dass die zweite Stelle 26 während des Gravierens der Walze 36 relativ zu den zuvor gravierten Zellen 12 zentriert bleibt.
Am bevorzugtesten sind die Stellen 24 und 26 zu der Achse 56 der Walze 36 ausgerichtet. Zum Beispiel kann für ein Muster gravierter Zellen 12 mit einem 60°-Rasterwinkel α die Beziehung der Anzahl an Linien 54 zu dem relativen Vorrücken zwischen der Oberfläche 14 und den Strahlen 16 entlang der Walzenachse 56 ausgedrückt werden als:
Kosinus α = das Ausmaß an Vorrücken entlang der Achse 56 der Walze 36 geteilt durch die Linienanzahl.
Wenn das Gravieren beispielsweise mit einem 60°-Winkel α und einem 200 LPC-Muster erfolgt, beträgt cos 60° = 0,5 und die Anzahl an Linien entlang der Walzenachse 100 LPC. Das heißt dass wenn das Gravieren mit zwei fokussierten Stellen 24 und 26 erfolgte, deren Abstand voneinander etwa 1 mm betrug, und dass wenn die beiden Stellen 24 und 26 entlang der Walzenachse 56, nicht aber entlang dem Rasterwinkel α ausgerichtet waren, die erste Stelle 24 die noch unberührte Oberfläche 14 gravieren würde, während die zweite Stelle 26 die Zellen 12 für zehn Linien 44 hinter der ersten Stelle 24 entsprechend des gleichen Musters wiedergravieren würde. Ein Ausrichten der beiden Stellen 24 und 26 an der Walzenachse 56 anstatt an dem Rasterwinkel α bedeutet, dass der Abstand zwischen ihnen für sämtliche Anzahlen an Linien 54 und Rasterwinkel α feststehend bleiben kann, vorausgesetzt dass das Vorrücken berechnet und für jeden Winkel gerundet wird. Der Axialspalt von zehn Linien 44 zwischen dem ersten und zweiten Auftreffen auf einer Zelle 12 erhöht die Abkühlzeit der Zelle 12 zwischen den Auftreffpunkten, wodurch die Ästhetik der Zelle 12 verbessert wird.
Wenn alternativ dazu das Gravieren mit einem 45°-Winkel α und einem 200 LPC-Muster erfolgt, beträgt die Anzahl an Linien 44 entlang der Walzenachse 56 141,4 LPC (cos 45° = 0,707). Wenn das Vorrücken auf die am nächsten liegende gerade LPC-Anzahl von 140 gerundet und zurückgerechnet wird, beträgt die tatsächliche LPC-Größe zur Erstellung des Abstands von 1 mm bei 45 Grad 198 (Ein Fehler von 1 %). Das gleiche mathematische Verfahren kann für Gravierungen mit einem 30°-Winkel α verwendet werden.
Vorteilhafterweise reicht der Abstand zwischen den Fokussierungsstellen 24 und 26 von etwa 0,1 mm bis etwa 25 mm und am vorteilhaftesten reicht er von etwa 0,5 mm bis etwa 5 mm. Ein Abstand zwischen den Fokussierungsstellen 24 und 26 von etwa 1 mm hat sich als sehr praktikabel erwiesen. Da die zweite Stelle 26 die Tiefe der zuvor gravierten Zellen 12 erhöht, ist es während der Einrichtung notwendig, die Ergebnisse in einem Testbereichsgebiet zu messen. Ein Abstand zwischen den Fokussierungsstellen 24 und 26 von etwa 1 mm oder weniger minimiert den erforderlichen Testbereich. Für jede benutzte Brennweite der Linse 22 muss ein anderes diffraktives Element 20 verwendet werden, da der Abstand zwischen den Stellen 24 und 26 eine Funktion der Brennweite ist.
Zur Illustration einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung wurde ein diffraktives Element 20 mit einem Durchmesser von 2,8 cm (1,1 inch) erhalten. Wenn das diffraktive Element 20 entlang der Achse 34 des Strahls 15 hinter der Linse 22 mit einer Brennweite (FL) von 3,8 cm (1,5 inch) wie in 1 dargestellt angeordnet wurde, wurden durch die Linse 22 zwei fokussierte Stellen 24 und 26 erzeugt. Das diffraktive Element 20 bzw. das binäre Beugungsgitter hatte vorzugsweise eine Gitterperiode von 812 ± 1 μm, die sich für eine Fokussierlinse 22 mit f = 3,8 cm (1,5 inch) und einen Laserstrahl 15 mit einer Wellenlänge von 10,6 μm in eine Trennung von 0,995 mm zwischen den Strahlen 16 höherer und niederer Ordnung an den Fokussierungsstellen 24 und 26 übersetzt. Vorteilhafterweise wies der Laserstrahl 15 eine Wellenlänge zwischen etwa 0,1 μm und etwa 15 μm auf. Die Zieltiefe der Schlitze 38 für das Beugungsgitter 20 betrug 1,77 μm ± 0,089 μm (± 5 %). In diesem Beispiel wurde eine Tiefe von 1,83 μm erhalten. Die Gleichförmigkeit des Ätzens über das diffraktive Element 20 mit dem Durchmesser von 2,8 cm (1,1 inch) hinweg betrug etwa ± 1 %. Das diffraktive Element war bei 10,6 μm AR/AR V-(antireflexiv)-beschichtet. Das diffraktive Element 20 dieses Beispiels ist für eine Verwendung mit einem Laserstrahl vorgesehen, der eine Wellenlänge von 10,6 μm aufweist und von einem Kohlendioxid-Lasergenerator 18 erzeugt wird. Vorzugsweise ist das diffraktive optische Element aus einem Material ausgebildet, das für den Laserstrahl 15 transparent ist. Zur Erfüllung dieser Anforderungen wurde das diffraktive Element in diesem Beispiel aus Germanium angefertigt. Das gemäß diesem Beispiel erzeugte diffraktive optische Element 20 hatte eine Effizienz von 80 % und erzeugte Zellen 12, die alle die Charakteristika von erneut gravierten Zellen 12 aufwiesen.
Das in diesem Beispiel verwendete bevorzugte diffraktive Element 20 wurde aus Germanium angefertigt, da dessen Kristallstruktur dichter ist. Die Mikrostruktur dieses Materials ist besser festgelegt, wodurch weniger Streuungen bzw. Energieverluste an den primären fokussierten Stellen 24 und 26 erzeugt werden. Ähnliche diffraktive Strukturen können in andere Ferninfrarot-Materialien wie z.B. Zinkselenid geätzt werden.
Diese Graviertechnik kann auch für Neodym-Yttrium-Aluminium-Garnet- bzw. Nd:YAG-Laser verwendet werden, die zunehmend zum Gravieren von Flüssigkeitsübertragungswalzen 36 benutzt werden. Dieser Laser generiert einen Lichtstrahl 15 mit einer Wellenlänge von 1,06 μm, wodurch es erforderlich wird, dass das diffraktive Element 20 aus für diese Wellenlänge durchlässigen Materialien wie z.B. Quarz oder synthetischem Quarz hergestellt werden muss, wobei diese Materialien allgemein als Quarzglas bezeichnet werden. Es sollte möglich sein, diese Graviertechnik für jede Wellenlänge des Laserstrahls 15 zu verwenden, die zum Gravieren von Flüssigkeitsübertragungswalzen 36 als erwünscht erachtet wird, vorausgesetzt dass sich ein geeignetes transparentes Material findet, welches die notwendigen diffraktiven Strukturen, die in die Materialoberfläche geätzt oder gefräst werden, abstützt.
Das diffraktive Element dieses Beispiels wurde von der Fokussierlinse durch einen 2 mm großen Abstandshalter abgetrennt. Die Baugruppe wurde gedreht, um die Stellen erster Ordnung 24 und 26 an der Achse 56 der Walze 36 auszurichten. Das optische System 30 erzeugte zwei fokussierte Stellen erster Ordnung 24 und 26, die mit einem Abstand von etwa 995 μm voneinander getrennt waren. Die Intensitätsverteilung zwischen den beiden Stellen erster Ordnung 24 und 26 betrug etwa 50/50.
Die gemusterten Gravierungen der Zelle 12 wurden bei einer Größe von 180 LPC und weniger mit einer ausgezeichneten Gravierqualität erzeugt. Die erneut gravierten Zellen 12 wiesen wie in 2 eine um etwa 18 % erhöhte Tiefe 58 der Zelle 12 auf, was die Graviergeschwindigkeit verbessern sollte. Durch das diffraktive optische Element schienen keine Aberrationen hinzugefügt worden zu sein. Die Effizienz des optischen Systems 30 wurde bei annähernd 90 % gemessen. Näherungsweise 10 % der Energie des Strahls 15 wird zu den Stellen zweiter Ordnung geführt, die in dem Gravierverfahren nicht beteiligt sind.
Das optische System 30 dieses Beispiels war dazu entworfen, die fokussierten Stellen erster Ordnung 24 und 26 von einer "A"-Linie zu der nächsten Linie auszurichten. Dies bedeutet, dass die Kombinationen der Anzahl an Linien ungerade Mehrfache sein müssen, d.h. 1, 3, 5, 7. Ein Abstand von 1 mm zwischen den Stellen 24 und 26 entspricht daher der erreichbaren Anzahl an Linien für eine 60° α-Gravierung mit 60, 100, 140 LPC. Eine Abstandsverringerung zwischen den Stellen 24 und 26 verringert die Auflösung der Linienanzahl. Daher wurde vorzugsweise ein Abstand von 1 mm zur Minimierung des Abstands der Stellen untereinander und zur Aufrechterhaltung der geeigneten Auflösung verwendet.
Die Oberfläche 14 der Walze 36 hat vorzugsweise eine Keramik-, Metall- oder Cermetbeschichtung, die gemäß dieser Erfindung graviert ist. Geeignete Keramik-, Metall- und Cermetbeschichtungen wie z.B. eine feuerfeste Oxid- oder Metallkarbidbeschichtung kann auf die Oberfläche der Walze 36 aufgetragen werden. Beispielsweise können Wolframkarbid-Kobalt, Wolframkarbid-Nickel, Wolframkarbid-Kobaltchrom, Wolframkarbid-Nickelchrom, Chrom-Nickel, Aluminiumoxid, Chromcarbid-Nickelchrom, Chromcarbid-Kobaltchrom, Wolfram-Titancarbid-Nickel, Kobaltlegierungen, Oxiddispersion in Kobaltlegierungen, Aluminiumoxid-Titanoxid, auf Kupfer basierende Legierungen, auf Chrom basierende Legierungen, Chromoxid, Chromoxid plus Aluminiumoxid, Titanoxid, Titanoxid plus Aluminiumoxid, auf Eisen basierende Legierungen, in auf Eisen basierende Legierungen dispergiertes Oxid, Nickel und auf Nickel basierende Legierungen und Ähnliches verwendet werden. Vorzugsweise könnte Chromoxid (Cr₂O₃), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumoxid oder Gemische daraus als das Beschichtungsmaterial verwendet werden, wobei daraus wiederum Chromoxid am meisten bevorzugt ist.
Die bevorzugten Metallkarbidbeschichtungen kann durch jede wohlbekannte Technik wie z.B. das Detonationskanonenverfahren, das Plasmabeschichtungsverfahren, das Hochgeschwindigkeits-Oxy-Brennstoff-Verfahren oder allgemein durch eine thermische Spritzbeschichtung auf die Metalloberfläche der Walze aufgetragen werden. Das Detonationskanonenverfahren ist wohlbekannt und in den US- Patentschriften 2 714 563, 4 173 685 und 4 519 840 umfänglich beschrieben. Konventionelle Plasmatechniken zum Beschichten eines Substrats sind in den US-Patentschriften 3 016 447, 3 914 573, 3 958 097, 4 173 685 und 4 519 840 beschrieben. Die Dicke des entweder durch das Plasma- oder durch das Detonationskanonenverfahren aufgetragenen Überzugs kann von 0,0127 bis 2,54 mm (0,323 bis 64,5 mm²) (0,5 bis 100 mil) reichen und die Rauheit reicht von etwa 50 bis etwa 1000 Rα, und zwar in Abhängigkeit von dem verwendeten Verfahren, d.h. dem Detonationskanonen- oder dem Plasmaverfahren, dem Typ an Beschichtungsmaterial und der Dicke des Überzugs.
Die Keramik- oder Metallkarbidbeschichtung auf der Walze kann vorzugsweise mit einer geeigneten Porendichtungsmasse wie z.B. einer Epoxid-Dichtungsmasse behandelt werden. Eine derartige Dichtungsmasse ist UCAR 100-Epoxid, das von Praxair Surface Technologies, Inc verfügbar ist. (UCAR ist eine Marke der Union Carbide Corporation). Die Behandlung dichtet die Poren ab, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit oder andere korrodierende Materialien in die Keramik- oder Metallkarbidbeschichtung eindringen, um die darunter liegende Stahlstruktur der Walze anzugreifen und zu zersetzen.
Es sollte sich verstehen, dass die obige Beschreibung die Erfindung lediglich illustrativ ist. Von dem Fachmann können verschiedene Alternativen und Modifikationen ausgeführt werden, ohne von dem Rahmen der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend beabsichtigt die vorliegende Erfindung, sämtliche derartige Alternativen, Modifikationen und Abweichungen, die in den Rahmen der beiliegenden Ansprüche fallen, einzuschließen.

Claims

Verfahren zum Gravieren einer zylindrischen Flüssigkeitsübertragungswalze (36), um mindestens einen Teil einer Oberfläche (14) der Walze mit einer Mehrzahl von in Abstand angeordneten gravierten Zellen (12) zu versehen, wobei im Zuge des Verfahrens: ein Laserstrahl (15) erzeugt wird; wobei jede Zelle (12) eine Öffnung in der Oberfläche (14) der Walze (36) bestimmt, die einer erste Zentralachse (42) und eine zweite Zentralachse (44) normal zu der ersten Achse aufweist, wobei sich die Achsen an einem Zentralachsenpunkt (46) schneiden; wobei im Zuges des Gravierens die Zellen so graviert werden, dass diese in mindestens zwei Reihen (48, 48') angeordnet sind, in welchen eine durch die ersten Achsen der Zellen in einer Reihe gezogene Linie im wesentlichen parallel zu einer Linie verläuft, die durch die ersten Achsen der Zellen in einer benachbarten Linie gezogen wurde; und wobei bei mindestens einem Teil der Zellen in einer Reihe die zweiten Achsen zu den zweiten Achsen der beiden in Abstand angeordneten Zellen in einer benachbarten Reihe ausgerichtet sind; wobei die Länge eines nicht gravierten Abstands (52) zwischen zwei Zellen (12) in einer Reihe (48) entlang einer Linie, welche deren erste Achsen enthält, zwischen den 1 bis 1,3-fachen der Länge eines nicht gravierten Abstands zwischen einer der Zellen in einer Reihe und einer benachbarten Zelle in einer benachbarten Reihe (48') entlang einer Linie (54) entspricht, welche die Zentralachsenpunkte (46) der Zellen enthält; und wobei die Zellen (12) so ausgerichtet sind, dass eine durch den Zentralachsenpunkt (46) einer Zelle in einer Reihe (48) sowie durch einen Zentralachsenpunkt einer benachbarten Zelle in einer benachbarten Reihe (48') gezogene Linie zu einer parallel zu einer Längsachse der zylindrischen Walze gezogenen Linie einen Winkel (α) bildet, der Größer 0° und kleiner als 90° ist; dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge des Verfahrens ferner: der Laserstrahl in mindestens zwei Laserstrahlen (16) geteilt wird, wobei jeder der Strahlen einen fokussierten Punkt (24, 26) auf der Oberfläche bildet, wobei die fokussierten Punkte in Abstand zueinander liegen und die Strahlen im allgemeinen Strahlpaare bilden, wobei jedes Strahlpaar so ausgelegt ist, dass mit dem fokussierten Punkt eines ersten Strahls des Strahlpaars eine neue Zelle graviert wird und simultan mit dem fokussierten Punkt eines zweiten Strahls des Strahlpaars eine zuvor gravierte Zelle erneut graviert wird, wobei im Zuge des Teilens der Laserstrahl durch eine optische Vorrichtung geführt wird, die ein diffraktives optisches Element (20) aufweist, um mindestens den ersten Strahl und den zweiten Strahl mit den in Abstand liegenden fokussierten Punkten zu bilden; und eine Mehrzahl von Zellen (12) in der Oberfläche der Walze graviert und erneut graviert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem mehr als zwei Strahlen (16) so erzeugt werden, dass es für jeden geteilten Strahl, mit dem eine neue Zelle (12) graviert wird, einen weiteren geteilten Strahl gibt, der eine zuvor gravierte Zelle erneut graviert.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem der Winkel (α) zwischen Größer als 60° und kleiner als 90° liegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei welchem der Laserstrahl eine Wellenlänge zwischen 0.1 μm und 15 μm hat.
Vorrichtung zum Gravieren eines festen Gegenstandes (36), um mindestens einen Teil der Oberfläche (14) des Gegenstands mit einer Mehrzahl von in Abstand angeordneten gravierten Zellen (12) zu versehen, und zum Ausführen des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, versehen mit: einem Laserstrahlerzeuger (18) zum Erzeugen eines Laserstrahls (15); dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner versehen ist mit: einer optischen Vorrichtung (30) mit einem diffraktiven optischen Element (20) zum Teilen des Laserstrahls in mindestens zwei Strahlen (16), wobei jeder der Strahlen auf der Oberfläche eine fokussierte Stelle (24, 26) bildet, wobei die fokussierten Stellen (24, 26) der Strahlen in Abstand zueinander liegen und die Strahlen im wesentlichen Strahlpaare bilden, wobei jedes Strahlpaar so ausgelegt ist, dass gleichzeitig mit der fokussierten Stelle eines ersten Strahls des Strahlpaars eine neue Zelle (12) graviert wird und mit der fokussierten Stelle des zweiten Strahls des Strahlpaars eine zuvor gravierte Zelle (12) erneut graviert wird; einer Anordnung (28, 29), um die Laserstrahlfokussierungsstellen (24, 26) und die Oberfläche (14) relativ zueinander zu bewegen, um so die Strahlen für ein gleichzeitiges Gravieren einer neuen Zelle (12) mit der fokussierten Stelle (26) anzuordnen; und einer Anordnung (32), um die mindestens zwei Strahlen zum Gravieren und erneuten Gravieren einer Mehrzahl von Zellen (12) in der Oberfläche des Gegenstands (36) einzusetzen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei welcher die optische Vorrichtung (30) mehr als zwei Strahlen (16) bereitstellt, und es für jeden Teilstrahl zum Gravieren einer neuen Zelle (12) einen weiteren Teilstrahl zum erneuten Gravieren einer zuvor gravierten Zelle (12) gibt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5 in Kombination mit dem Gegenstand, wobei der Gegenstand (36) eine zylindrische Flüssigkeitsübertragungswalze (36) ist.