Verfahren zum Einbringen einer Struktur in eine Oberfläche eines transparenten Werkstücks

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Struktur in eine Oberflache eines in einem bestimmten Wellenlaπgenbereich traπsparen- ten Werkstucks, bei dem die zu strukturierende Oberflache mit einer ein Targetmateπal enthaltenden Targetoberflache in Kontakt gebracht wird und mittels eines Laserstrahls, dessen Wellenlange in dem bestimmten Wellenlangenbereich liegt, durch das Werkstuck hindurch zumindest an einer Position derart Energie in den Grenzbereich der zu strukturierenden Oberflache des Werkstucks und der Targetoberflache eingebracht wird, dass sich an der betreffenden Position Targetmatenal in der zu strukturierenden Oberflache ablagert Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zur Durchfuhrung dieses Verfahrens

Durch Einbringen einer geeigneten Struktur in eine Werkstuckoberflache kann das betreffende Werkstuck beispielsweise markiert werden Hierfür stehen inzwischen handelsübliche Laserbeschnftungs- bzw Laserkennzeichnungssysteme zur Verfugung, mit denen es möglich ist, als Markierung verschiedene Strukturen, beispielsweise eine Beschriftung eine maschinenlesbare Kodierung wie z B einen Barcode oder ein anderes beliebiges graphisches Element in die Oberflache des betreffenden Werkstucks einzubringen Dabei können mit solchen Systemen die verschiedensten Materialien, insbesondere auch transparente Materialien wie Glas oder Plexiglas, markiert werden, sofern geeignete Laser verwendet werden Normalerweise wird dabei zur Markierung von transparenten Materialien ein Laserstrahl verwendet, dessen Licht möglichst gut von dem transparenten Material absorbiert wird Beispielsweise hat Glas einen Transmissionsbereich für Lichtwellenlangen zwischen ca 180 nm und ca 2 500 nm Daher werden derzeit zur Glasmarkierung u a Cθ ₂ -Laser mit einer Wellenlange von 10 600 nm, 9 600 nm oder 9 300 nm verwendet Die Funktionsweise ist

dabei so, dass der Laser an der zu markierenden Stelle in oder auf der Oberflache des betreffenden Werkstucks fokussiert wird und dadurch an dieser Stelle möglichst viel Energie in das Werkstuck eingebracht wird Dies fuhrt dazu, dass lokal begrenzt an der betreffenden Stelle im Werkstuckmatenal sogenannte „Mikrocracks' entstehen die dann im transparenten Material sichtbar sind Alternativ kann auch in der Oberflache eine Gravur eingefugt werden Dabei wird lokal Material aus der Oberflache des zu markierenden Werkstucks entfernt Um die Sichtbarkeit zu erhohen, kann diese Gravur beispielsweise mit einem undurchsichtigen Material ausgelegt werden Die Einbringung dieses Materials in eine Gravur erfordert aber einen zusätzlichen Arbeitsgang. Weitere mögliche Markierungsverfahren sind herkömmliche Druckverfahren, mit denen ein Schriftzug oder ein sonstiges graphisches Element auf die Oberflache aufgebracht wird Ein Nachteil dieser Druckverfahren besteht darin, dass die Markierung relativ leicht zerstörbar ist

In der DE 195 17 625 A1 wird als Alternative ein Verfahren der eingangs genannten Art beschrieben, bei dem zur musterformigeπ Bedruckung einer Oberflache eines festen transparenten Substrats beispielsweise

Glas, eine ein Pigment enthaltende Schicht auf die betreffende Oberflache aufgebracht wird Diese Schicht wird dann durch das Substrat hindurch mit einem Laser derart bestrahlt, dass sich das Schichtmatenal auf die Substratoberflache übertragt Die so gefertigten Bedruckungen haften sehr stark auf der Oberflache und sind gegenüber Sauren und Basen bestandig wobei in dieser Schrift angenommen wird, dass beim Bedruckungsvorgang vermutlich auch Partikel des Schichtmateπals in die Oberflache hineindiffundieren

Außerdem wird in der WO 95/25639 ein ahnliches Verfahren beschrieben, bei dem eine Markierung auf einem transparenten Werkstuck erzeugt wird, indem mit einem Laser durch das Werkstuck hindurch lokal Energie in ein Target eingebracht wird, so dass das Targetmatenal verdampft und

sich lokal auf der zu markierenden Oberflache des transparenten Werkstucks ablagert Das Target liegt bei diesem Prozess nicht direkt an der zu markierenden Oberflache an, sondern wird beispielsweise in einem Abstand von 0, 1 mm von der zu markierenden Oberflache positioniert, um beste Ergebnisse bei dieser Aufdampfungsmethode zu erreichen

In der DE 196 37 255 C1 wird ein weiteres ähnliches Verfahren beschrieben, bei dem eine zu beschriftende Oberflache eines transparenten Materials in einem kurzen Abstand von einem Substratmateπal positioniert wird, das aus keramischen Substratteilchen und einem Bindemittel besteht Durch das transparente Material wird das Substratmateπal lokal mit einem Laser bestrahlt Dabei wird der Laser auf der zu beschriftenden Oberflache fokussiert Die im Substratmatenal eingebrachte Laserenergie sorgt für eine Verdampfung des Bindemittels Dabei frei werdende Substratteilchen können auf die zu beschriftende Oberflache in den Fokus des Laserstrahls gelangen und werden dort aufgrund der hohen Energiedichte angesintert

Da ein Ansintem von Substratteilchen bei spateren Nachbehandlungen des transparenten Materials nachteilig sein konnte, wird in der DE 10 2006 029 941 A1 ein verändertes Verfahren vorgeschlagen Dabei wird als Substrat ausschließlich ein Metall oder ein Halbmetall wie Silizium eingesetzt Dieses wird entweder in unmittelbarem Kontakt mit der zu beschriftenden Oberflache oder vorzugsweise in einem kurzen Abstand zu dieser positioniert Der wiederum durch das transparente Material hindurch auf das Substrat gerichtete Laserstrahl wird dabei so eingestellt, dass Teilchen des Substrats verdampfen und an der zu beschriftenden Oberflache kondensieren, wobei keine Diffusion von Partikeln des Substratmateπals in das transparente Material erfolgt Hierzu wird mit einem gepulsten Laserstrahl mit einer Pulswiederholrate von maximal 1 kHz, einer mittleren Leistung von 8,4 W oder 12 W, einem Fokusdurchmesser von 42 μm und einer Ablenk-Geschwindigkeit von 50 mm/s gearbeitet Der Laserstrahl wird dabei bevorzugt auf die zu beschriftende

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Oberflache des transparenten Materials fokussiert Bei einer Variante des Verfahrens wird zusätzlich das transparente Material in der zu beschriftenden Oberflache lokal abgetragen und/oder angeschmolzen Hierzu wird beispielsweise mit einem Laserstrahl mit einer Pulswiederholrate von maximal 0,4 kHz, einer mittleren Leistung von 12 W, einem Fokusdurchmesser von 42 μm und einer Ablenk- Geschwindigkeit von nur 20 mm/s gearbeitet

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Einbringen einer besonders stabilen Struktur in die Oberflache eines transparenten Werkstucks anzugeben

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 14 gelost

Erfindungsgemaß wird also bei einem Verfahren der eingangs genannten Art ein gepulster Laserstrahl mit einer Pulswiederholrate von mehr als 10 kHz verwendet Dieser wird so fokussiert, dass sich der Fokus auf oder unter der Targetoberflache befindet, wobei der Laserstrahl im Fokus eine Leistungsdichte von mehr als 2000 W/mm ² aufweist Die Leistungsdichte ist dabei die mittlere Laserleistung im Verhältnis zur Fokusflache

Durch die Fokussierung auf die Targetoberflache oder im Target, beispielsweise knapp unter der Targetoberflache, wird ein größerer Teil der Energie in das Target eingebracht Weiterhin wird mit einer erheblich höheren Pulswiederholrate als bei dem genannten Stand der Technik gearbeitet, wobei gleichzeitig eine hohe Leistungsdichte erzeugt wird Die Pulse sind dabei wegen der hohen Pulswiederholrate entsprechend relativ kurz Durch die kurzen, aber intensiven Laserpulse gelangen somit die Targetpartikel im Mittel mit einer relativ hohen Energie auf die Oberflache des transparenten Werkstucks und können somit in diese eindringen

Abweichend von dem oben genannten Stand der Technik wird also hier ganz gezielt versucht, neben dem Aufbringen von Targetmateπal auf die Werkstuckoberflache auch eine möglichst gute Diffusion von Targetmaterial in die Werkstuckoberflache zu erreichen, und das Verfahren gerade nicht so eingestellt dass sich Targetmaterial möglichst ausschließlich auf der Oberflache des zu strukturierenden Materials abschlagt

Bei verschiedenen Experimenten hat sich herausgestellt, dass es mit diesem Verfahren besonders gut möglich ist, Targetmateπal auf und in die Oberflache des transparenten Werkstucks so einzubringen, dass sich dadurch eine dauerhafte Struktur erzeugen lasst, welche gut sichtbar ist und nur äußerst schwer (z B durch ein Abschleifen oder Ausschleifen der Oberflache) entfernt werden kann

Eine geeignete Vorrichtung zum Einbringen einer Struktur in eine Werkstuckoberflache nach dem erfindungsgemaßen Verfahren benotigt neben einer ein Targetmaterial enthaltenden Targetoberflache, welche beispielsweise an die zu strukturierende Oberflache des Werkstucks angelegt werden kann oder auf weiche das Werkstuck aufgelegt wird, eine geeignete Laserstrahlerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls, dessen Wellenlange in dem Wellenlangenbereich hegt, in dem das Werkstuck transparent ist Die Laserstrahlerzeugungseinrichtung muss so ausgebildet und angeordnet sein, dass durch ein die Targetoberflache kontaktierendes Werkstuck hindurch mittels des Laserstrahls zumindest an einer Position derart Energie in den Grenzbereich der zu strukturierenden Oberflache des Werkstucks und der Targetoberflache einbringbar ist, dass sich an der betreffenden Position Targetmaterial in der zu strukturierenden Oberflache ablagert Dabei ist die Laserstrahlerzeugungseinrichtung erfindungsgemaß so ausgebildet, dass sie einen gepulsten Laserstrahl mit einer Pulswiederholrate von mehr als 10 kHz erzeugt und eine Fokussiereinnchtuπg z B ein geeignetes Objektiv, und eine Steuereinrichtung aufweist, welche den

Laserstrahl beim Struktuπerungsprozess auf oder knapp unter der Targetoberflache fokussiert wobei der Laserstrahl im Fokus eine Leistungsdichte von mehr als 2000 W/mm ² aufweist

Hierzu kann die Vorrichtung bzw die Laserstrahlerzeugungseinrichtung eine geeignete Steuereinrichtung aufweisen, welche nicht nur für die gewünschte Einstellung der Fokussierungsparameter wie Position und Durchmesser des Fokus, sorgt, sondern auch für die Einstellung weiterer Laserparameter wie Pulswiederholrate oder Leistung Diese Steuereinrichtung kann aus einer zentralen Steuereinheit bestehen oder aus mehreren Steuereinheiten, die in geeigneter Weise zur Kommunikation miteinander verbunden sind

Weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung Dabei kann die emndungsgemaße Vorrichtung auch entsprechend den abhangigen Verfahrensanspruchen weitergebildet sein und umgekehrt

Das Verfahren kann zur Einbringung einer Struktur in Oberflachen verschiedenster transparenter Materialien wie verschiedene Glaser, Plexiglas etc eingesetzt werden Besonders bevorzugt eignet es sich zur Einbringung von Strukturen in Oberflachen von Glaswerkstucken, da dies mit anderen Mitteln nur sehr schwer möglich ist und die mit Hilfe des erfindungsgemaßen Verfahrens geschaffenen Strukturen in Glas- mateπalien besonders haltbar sind

Auch als Targetmateπahen können verschiedenste Materialien eingesetzt werden In Experimenten hat sich herausgestellt, dass sich Metalle wie Kupfer, Aluminium, insbesondere Titanal (eine spezielle Alummium- legierung), Titan etc sehr gut eignen Ganz besonders gut eignen sich Stahle, bevorzugt rostfreie Stahle wie z B V2A, bei denen auch mit einer

genngeren Laserleistung eine sehr gute optische Erkennbarkeit der Struktur erreicht werden kann

Das Targetmaterial kann besonders bevorzugt auch in Form einer Folie, z B als Metallfolie oder metallhaltige bzw pigmenthaltige Folie, vor dem Struktuπerungsprozess auf die Werkstuckoberflache aufgebracht und anschließend wieder entfernt werden Ganz besonders bevorzugt kann es sich um eine selbsthaftende Folie handeln

Sofern es sich bei dem Targetmateπal um ein leitfahiges Material handelt, können mit diesem Verfahren auch beliebige leitfahige Strukturen auf eine Glasoberflache bzw eine Oberflache eines sonstigen transparenten Materials aufgebracht werden

Ein bevorzugter Einsatz der Erfindung ist die eingangs erläuterte

Markierung von Werkstucken mit Strukturen in Form von Schriftzeichen, Logos usw Alternativ oder zusätzlich können die auf die erfmdungsgemaße Weise eingebrachten Strukturen aber auch völlig anderen Zwecken dienen Beispielsweise können aus rein optischen Gründen bzw Designgrunden künstlerische Verzierungen, flachige

Strukturen, fotografische Abbildungen etc in die Oberflache eingebracht werden

Ein bevorzugtes weiteres Anwenduπgsbeispiel ist die Aufbringung von technischen Leiterbahnstrukturen, wie z B Antennenstrukturen oder Heizleitem, was insbesondere für Kraftfahrzeugscheiben interessant ist

Die Wellenlange des Laserstrahls - d h die Wellenlange des Lichts dieses Laserstrahls - sollte vorzugsweise in einem Bereich von ca 180 nm bis ca 2 500 nm, besonders bevorzugt in einem Bereich von ca 300 nm bis ca 1 800 nm hegen Insbesondere bei der Markierung von Glaswerkstucken hat sich der Einsatz eines Lasers mit einer Wellenlange von ca 1 060 nm bewahrt Ein Laser mit einer solchen Wellenlange ist

beispielsweise ein sog FAYb-Laser (Fiber Amplified Ytterbium Laser) Gut einsetzbar sind auch Nd-YAG-Laser (Neodym dotierter Yttπum- Aluminium-Granat-Laser) mit Wellenlangen von 1 064 nm oder 532 nm

Weiterhin weist die Laserstrahlerzeugungseinrichtung bevorzugt eine Strahlfuhrungseinπchtung auf, um den Laserfokus entlang einer gemäß einem Struktuπerungsbild vorgegebenen Struktuneruπgsspur zu bewegen Das heißt der Laser wird punktuell entlang dieser Struktuπerungsspur, beispielsweise entlang eines Schriftzugs mit einer vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit schrittweise oder kontinuierlich verfahren um so das gewünschte Struktunerungsbild zu erzeugen

Vorzugsweise erfolgt der Vorschub mit einer Vorschubgeschwindigkeit von mehr als 70 mm/s, besonders bevorzugt von mehr als 100 mm/s, je nach konkreter Anwendung gegebenenfalls sogar noch erheblich hoher

Eine solche Strahlfuhrungseinπchtung kann auf beliebige Weise aufgebaut sein Beispielsweise kann der Laser über einen Lichtleiter gefuhrt werden und dieser Lichtleiter wird durch geeignete Stell- einπchtungen passend justiert Die Strahlfuhrungseinnchtung kann aber ebenso in üblicher weise mit Ablenkeinheiten aufgebaut sein beispielsweise mit zwei Umleπkspiegeln, Prismen oder dergleichen Um mit einem solchen System dafür zu sorgen, dass der Fokus des Laserstrahls jeweils in einer Ebene direkt auf oder unter der Targetoberflache bleibt, muss die Fokussiereinrichtung entsprechend ausgestaltet sein Hierzu bietet es sich z B an ein Planfeld-Objektiv mit einer F-Theta-Lιπse oder ähnliches einzusetzen Ein solches F-Theta- Objektiv fokussiert den Laserstrahl auf eine plane Bildfeldebene Dabei besteht eine exakte Proportionalitat zwischen dem Einfallswinkel des Strahls und der Position des fokussierten Bildpunkts im Bildfeld, d h in der Ebene in der die Strukturierung erfolgen soll Ebenso können auch geeignete 3D-Objektιve eingesetzt werden, z B wenn die zu strukturierende Oberflache gekrümmt ist Geeignete Ablenkeinheiten mit

iπtegπerten Fokussierobjektiven sind beispielsweise für die Verwendung in üblichen Laserbeschπftungs- bzw Laserkennzeichnungsvorrichtungen im Handel erwerbbar Diese können auch für die erfindungsgemaße Vorrichtung verwendet werden Ebenso können auch die für diese Einrichtungen vorgesehenen Steuerungen verwendet werden Erforderlich ist jedoch, dass ein geeigneter Laser verwendet wird, welcher eine Wellenlänge aufweist in der das zu strukturierende Material traπsmissiv ist, und dass die Steuerung derart eingestellt, ggf auch für eine automatische Steuerung entsprechend programmiert ist, dass der Fokus sich nicht in dem zu strukturierenden Werkstuck selbst, sondern z B auf oder knapp unter der Targetoberflache befindet

Wie bereits eingangs erläutert, wird erfindungsgemaß der Struktunerungsprozess bewusst so ausgelegt, dass Partikel des Target- mateπals möglichst gut in die zu strukturierende Oberflache des transparenten Werkstucks hinein diffundieren Bevorzugt erfolgt daher die Strukturierung so, dass Partikel des Targetmateπals zumindest an einer Stelle mit der größten Eindringtiefe - z B bei einer Punktmarkierung im Mittelpunkt der Punktmarkierung oder einer Linienmarkierung entlang einer Mittellinie der Linienmarkierung - mindestens ca 15 μm, vorzugsweise mindestens ca 30 μm tief in die zu strukturierende Oberflache eindringen In den bisher durchgeführten Testmarkierungen hat sich gezeigt, dass mit dem erfindungsgemaßen Verfahren ohne weiteres eine Eindringtiefe der Targetpartikel in die Werkstuckoberflache von bis zu 30 μm und mehr erreichbar ist

Vorzugsweise sollte dazu möglichst kurzzeitig eine hohe Energie im Target eingebracht werden Dabei wird der Laserstrahl bevorzugt so gesteuert, dass die Temperatur in der zu strukturierenden Oberflache auch wahrend der Strukturierung unterhalb der Schmelztemperatur des Werkstuckmaterials liegt, und zwar auch im unmittelbaren Grenzbereich zur Targetoberflache, in der sich gerade der Laserstrahlfokus befindet D h die Werkstuckoberflache soll nicht lokal angeschmolzen werden Bei

Glas liegt die Schmelztemperatur je nach Glastyp zwischen ca 1 000 ⁰ C und ca 1 600 ⁰ C

Andererseits sollte die Temperatur in der gerade zu markierenden Werkstuckoberflache auch nicht zu gering sein da eine höhere Temperatur die Diffusion begünstigt Besonders bevorzugt ist eine Temperatur oberhalb von ca 600 ⁰ C

Die Einstellung der optimalen Bedingungen erfolgt durch die Justage verschiedener Parameter, die zum einen die vom Laserstrahl in das

Target eingebrachte Energie und zum anderen die Zeit determinieren, in der diese Energie eingebracht wird

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Laserstrahl im Fokus eine möglichst hohe Leistungsdichte aufweist Daher wird der Laserstrahl vorzugsweise so eingestellt, dass er im Fokus eine Leistungsdichte von mehr als ca 3 kW/mm ² aufweist, besonders bevorzugt mehr als ca 10 kW/mm ² , ganz besonders bevorzugt sogar mehr als ca 100 kW/mm ²

Hierzu muss zum einen der Fokusdurchmesser ausreichend gering sein Vorzugsweise wird ein Fokusdurchmesser eingestellt, der kleiner als 60 μm, besonders bevorzugt kleiner als 40 μm, ist In Tests wurden beispielsweise hervorragende Markierungen mit einem Fokusdurchmesser von nur ca 30 μm erzielt

Zum anderen muss die mittlere Leistung des Lasers ausreichend hoch sein Vorzugsweise sollte diese hoher als 10 W sein Bevorzugt wird ein Laser eingesetzt, dessen mittlere Leistung zwischen 10 W und 50 W einstellbar ist Bei einem Fokusdurchmesser von ca 60 μm reicht eine Leistung von 12 W aus um im Fokus eine Leistungsdichte von mehr als 4 kW/mm ² zu erreichen

Neben der eingebrachten Leistung spielen aber für das Temperaturverhalten im Target - und somit auch in der angrenzenden Werkstuckoberflache - auch die bereits oben definierte Vorschubgeschwindigkeit sowie die Pulswiederholrate des Laserstrahls eine Rolle Erfindungsgemaß wird mit einer relativ hohen Pulswiederholrate oberhalb von 10 kHz gearbeitet Vorzugsweise wird eine Pulswiederholrate von mehr als 20 kHz, besonders bevorzugt zwischen 20 kHz und 100 kHz, gewählt Dies entspricht einer Pulswiederholzeit zwischen 10 μs und 50 μs

Entsprechend dieser kurzen Pulswiederholzeit müssen auch die Laserpulse selbst relativ kurz sein Die Pulsdauer der Laserpulse ist vorzugsweise kurzer als 100 ns, besonders bevorzugt kurzer als20 ns Da eine möglichst kurze Pulsdauer vorteilhaft ist, wäre eine Pulsdauer im ps- Bereich oder darunter ganz besonders bevorzugt

Die kurzen Pulsdauern fuhren bei einer gegebenen mittleren Leistung zu einer entsprechend hohen Laserpulsspitzenleistung (auch .Laser Peak Power" genannt) Bei dem erfindungsgemaßen Verfahren wird vorzugsweise mit Laserpulsspitzenleistung großer als 10 kW, besonders bevorzugt großer als 25 kW, gearbeitet Es wird folglich dafür gesorgt, dass möglichst viel Energie in möglichst kurzer Zeit in das Targetmaterial eingebracht wird, um so einerseits die Partikel des Targetmateπals mit ausreichender Energie auszustatten und andererseits die Temperatur im zu markierenden Werkstuck auch lokal in den gewünschten

Temperaturgrenzen zu halten und so eine möglichst gute Diffusion von Targetpartikeln in die Werkstuckoberflache zu erreichen

Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefugten Figuren anhand eines Ausfuhrungsbeispiels noch einmal naher erläutert Hieraus ergeben sich noch weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung Es zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausfuhrungsbeispiels einer erfindungsgemaßen Vorrichtung bei der Markierung eines Glaswerkstucks

Figur 2 einen Schnitt durch das Glaswerkstuck mit dem darunter befindlichen Target beim Einbringen der Markierung,

Figur 3 einen Schliff durch ein mit dem erfindungemaßen Verfahren markiertes Glaswerkstuck im Bereich der Markierung, zur Bestimmung der Eindπngtiefe der Targetpartikel

Im Folgenden wird - ohne die Erfindung auf diesen Einsatz zu beschranken - davon ausgegangen, dass das Einbringen der Struktur in die Oberflache zur Markierung des Werkstucks dient Wie erwähnt können mit dem erfindungsgemaßen Verfahren genauso auch Strukturen für andere Zwecke wie z B technische Leiterbahnstrukturen oder graphische Flachen in die Oberflache eingebracht werden

Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausfuhrungsbeispie! einer erfindungsgemaßen Vorrichtung handelt es sich im Wesentlichen um eine herkömmliche Laserbeschπftungseinπchtung, welche - wie nachfolgend erläutert wird - für eine Verwendung mit dem erfindungsgemaßen Verfahren entsprechend modifiziert wurde

Ein wesentlicher Punkt ist hierbei, dass sich unterhalb des zu markierenden Werkstucks W ein Target 2, beispielsweise eine Stahlplatte 2 oder eine Stahlfolie, befindet, auf weiche das zu markierende Werkstuck W mit der zu markierenden Oberflache O aufgelegt wird Die Oberflache der Stahlplatte 2 oder Stahlfolie, auf der die zu markierende Oberflache O des Werkstucks möglichst großflächig innerhalb des Bereichs aufliegt, in dem die Markierung M anzubringen ist, bildet die Targetoberflache 3

Weiterhin wird eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4 mit einer Laserstrahlquelle 5 verwendet, welche einen Laserstrahl L mit einer Wellenlange erzeugt, in dem das zu markierende Werkstuck W transmissiv ist Der Transmissionsbereich von Glas liegt zwischen 180 nm und 2 500 nm Daher wird vorzugsweise hier ein FAYb-Laser mit einer Wellenlange von λ = 1 060 nm eingesetzt

Die Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4 weist neben der Laserstrahlquelle 5 eine Strahlfuhrungseinπchtung 12 in Form einer Ablenkeinheit 12 mit zwei über Ansteuermotoren 7, 9 angetriebenen Ablenkspiegeln 6, 8 auf, welche für eine Verkippung des Laserstrahls L in zwei senkrechte Richtungen sorgen Angekoppelt an diese Strahlfuhrungseinnchtung 12 bzw Ablenkeinheit 12 ist eine Fokussierungseinnchtung 11 , beispielsweise ein Planfeld-Objektiv bzw F-Theta-Objektιv 1 1 mit einer F-Theta-Lιnse In Figur 1 ist die Fokussierungseinnchtung 11 nur durch die F-Theta-Lιnse schematisch dargestellt Die Ablenkeinheit 12 kann gemeinsam mit diesem F-Theta-Objektιv 11 als eine Einheit ausgebildet sein Sinn des F-Theta-Objektivs 11 ist es, den unter einem bestimmten Winkel von den Ablenkspiegeln 6 8 abgelenkten Laserstrahl L in eine planparallele, sich in dem in Figur 1 dargestellten Koordinatensystem in der x- und y-Rιchtung erstreckende Ebene, welche hier bevorzugt genau auf der Targetoberflache 3 liegt, zu fokussieren Dabei wird je nach Einstellung der Ablenkspiegel 6 8 ein anderer Punkt in dieser x-y-Ebene getroffen Auf diese Weise kann durch Verstellen der Ansteuermotoren 7, 9 bzw der Ablenkspiegel 6, 8 der Fokus F des Laserstrahls L in beliebiger Weise entlang einer bestimmten, durch das Markierungsbild B, hier beispielsweise den Schriftzug „Panasonic", vorgegebenen Markierungsspur zu bewegen Hierbei ist es möglich, den Laserstrahl L durch geeignete Blenden oder Ahnliches kurzfristig auszublenden, um beispielsweise bei voneinander unabhängigen Buchstaben eines solchen Schriftzugs von einem Buchstaben zum nächsten zu springen, ohne dass in diesem Bereich eine Markierung erfolgt

Die komplette Ablenkeiπheit 12 mit dem F-Theta-Objektιv 11 kann auch eine handelsübliche Einheit sein, wie sie bei bisherigen Laserbeschriftungssystemen eingesetzt wird Angesteuert werden die Laserstrahlquelle 5 und die Ablenkeinheit 12 mit dem F-Theta-Objektiv 11 über eine Steuereinheit 10 Auch hierbei kann eine handelsübliche

Steuereinheit 10 verwendet werden, welche entsprechend programmiert werden muss, damit der Fokus F, welcher von der Steuereinheit 10 automatisch eingestellt werden kann, wie vorgesehen auf die Targetoberfläche 3 oder knapp unterhalb der Targetoberfläche 3 eingestellt wird

Es wird so lokal in dem Bereich, in dem sich der Laserstrahl L aktuell befindet, bzw auch um diesen Bereich herum, Energie in den Grenzbereich G der zu strukturierenden Oberfläche O des Werkstücks W und der Targetoberfläche 3, d. h sowohl in das Target als auch in die Werkstückoberfläche O, eingebracht, wobei der größte Teil der Energie zunächst im Fokus F auf der Targetoberfläche 3 eingebracht wird. Dadurch wird das Metall so stark erhitzt, dass Metallpartikel sich auf der Glasoberfläche O niederschlagen und auch in diese eindringen Dies ist schematisch in Figur 2 dargestellt.

Versuche haben gezeigt, dass an einer Markierung die Eindringtiefe t der Metallpartikel in ein Glassubstrat mehr als 30 μm betragen kann Figur 3 zeigt ein Schliffbild (500-fache Vergrößerung), aus dem die Diffusionskanäle und die Eindringtiefe erkennbar sind An einer Stelle wurde die Eindringtiefe t vermessen. Sie beträgt hier ca. 48 μm

Für diese Versuche wurde ein FAYb-Laser mit einer durchschnittlichen Leistung von 12 Watt verwendet. Hierbei handelt es sich um einen gepulsten Laser mit einer Laserspitzenleistung von bis zu 20 kW bei einem 20 ns langen Puls Die Pulswiederholzeit kann bei diesem System von 10 μs bis 50 μs eingestellt werden. Der Laser ist ein sogenannter „Single Mode Laser" (Mode TEM00) und hat einen Güteparameter M ² =

1 ,4 Bei den Tests wurde das Objektiv 190 mm von der Targetoberflache 3 positioniert und der Fokus F direkt auf die Targetoberflache 3 eingestellt Der Strahldurchmesser d betragt im Fokus F dann ca 60 μm (siehe Figur 2) Der Laser hat bei dieser Einstellung im Fokus eine Leistungsdichte von ca 4 000 W/mm ²

Insbesondere mit verschiedenen Metallen wurden Versuche durchgeführt, die zu besonders gut lesbaren Markierungen gefuhrt haben So wurden zum einen Versuche mit Kupfer und mit Titanal als Targetmaterial durchgeführt, wobei die Laserleistung jeweils 10 Watt die Vorschubgeschwindigkeit jeweils 70 mm/s und die Pulswiederholzeit jeweils 50 μs betrug Die Markierung M war bei diesen Bedingungen bei beiden Targetmateπalien gut lesbar Bei einem weiteren Versuch wurde als Targetmateπal Aluminium verwendet Bei einer Laserleistung von 10 Watt und einer Vorschubgeschwindigkeit von 80 mm/s sowie einer

Pulswiederholzeit von 50 μs wurde auch hier eine recht gut lesbare Markierung erzeugt

Dabei hat sich herausgestellt, dass grundsätzlich auch Metallfolien, beispielsweise Alufolie, als Targetmateπalien geeignet sind So wurden gut lesbare Markierungen bei einer Verwendung von Alufolie mit einer Laserleistung von 5 Watt, einer Vorschubgeschwindigkeit von 1 000 mm/s und einer Pulswiederholzeit von 50 μs erzielt Die Verwendung von Metallfolie ist unter bestimmten Produktionsbedingungen vorteilhaft, wenn eine spezielle Positionierung des zu markierenden Werkstucks auf einer Targetoberflache zu aufwandig ist und sich innerhalb des Produktionsgangs eine Metallfolie relativ einfach auf das Werkstuck aufbringen lasst

Die besten Ergebnisse wurden mit Stahl erreicht Dabei wurden mit einer Leistung von nur 8 Watt und einer Vorschubgeschwindigkeit von 150 mm/s bei einer Pulswiederholzeit von 50 μs besonders gut lesbare Markierungen erzeugt

Die so markierten Werkstucke wurden dann hinsichtlich einer Zerstorbarkeit der Markierungen getestet Dabei hat sich herausgestellt, dass sich die Markierungen weder durch Reinigungs- bzw Scheuermittel noch durch Abkratzen mit einer Klinge oder ähnlichem erheblich beschädigen ließen

Mit dem erfindungsgemaßeπ Verfahren lassen sich also auf einfache Weise sehr gut haltbare Strukturen für beliebige Funktionen insbesondere in Glasoberflachen erzeugen, wobei vorteilhafterweise relativ einfach modifizierte herkömmliche Laserbeschriftungssysteme nutzbar sind

Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den in den Figuren dargestellten Vorrichtungen sowie den im Zusammenhang damit erläuterten konkreten Verfahren lediglich um Ausfuhruπgsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in vielfacher Hinsicht variiert werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen Es wird außerdem der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein ' bzw „eine" nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können