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WO2007012215A1 - Verfahren und vorrichtung zur gezielten strukturierung einer oberfläche mit einer laseranlage - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur gezielten strukturierung einer oberfläche mit einer laseranlage Download PDF

Info

Publication number
WO2007012215A1
WO2007012215A1 PCT/CH2006/000392 CH2006000392W WO2007012215A1 WO 2007012215 A1 WO2007012215 A1 WO 2007012215A1 CH 2006000392 W CH2006000392 W CH 2006000392W WO 2007012215 A1 WO2007012215 A1 WO 2007012215A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser beam
laser
ripple
range
relative movement
Prior art date
Application number
PCT/CH2006/000392
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Günter Reisse
Steffen Weissmantel
Andy Engel
Udo Löschner
Dirk Rost
Charles Boegli
Original Assignee
Boegli-Gravures Sa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE200510035896 external-priority patent/DE102005035896A1/de
Priority claimed from DE102005043495A external-priority patent/DE102005043495A1/de
Application filed by Boegli-Gravures Sa filed Critical Boegli-Gravures Sa
Publication of WO2007012215A1 publication Critical patent/WO2007012215A1/de

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/362—Laser etching
    • B23K26/364—Laser etching for making a groove or trench, e.g. for scribing a break initiation groove
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41M—PRINTING, DUPLICATING, MARKING, OR COPYING PROCESSES; COLOUR PRINTING
    • B41M5/00—Duplicating or marking methods; Sheet materials for use therein
    • B41M5/24—Ablative recording, e.g. by burning marks; Spark recording

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for structuring a
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a device according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the structures produced on a surface at different polarization directions of the laser beam
  • Fig. 4 shows a schematic representation for the generation 'of characters on the surface
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a
  • Fig. 6 ⁇ schematically shows a generated pattern when illuminated at an angle
  • Fig. 6B shows the same pattern as in Fig. 6A at a different illumination angle and the same
  • a surface area of the object is irradiated with a moving femtosecond (fs) laser radiation such that self-organizing, trench-shaped nanostructures with predetermined, moving, fs laser radiation act as an optical grating with predetermined, form in the range of the wavelengths of visible light, lattice constants and grid depth on the given surface area.
  • fs moving femtosecond
  • Such nanostructures are also referred to as ripple or LIPSS structures.
  • a laser system or a femtosecond laser microstructuring is, as shown schematically in Fig. 1, the Laser beam of a femtosecond laser (fs laser) 1 via a beam attenuator 2, optical elements for laser beam shaping 3, an adjustable polarizer 4 and deflection mirror 5, 6 and 7 with the aid of the lens 8 directed to the surface de workpiece to be structured 9.
  • fs laser femtosecond laser
  • the workpiece is mounted on an xy-coordinate table 10, which allows a computer-controlled relative movement between laser beam and workpiece surface by means of power supply means 11 and computer 12 and thus scanning the workpiece surface with the laser beam controlled in its parameters.
  • the relative movement between the beam and the workpiece surface can also be realized with the aid of mirror-scanner devices which are arranged before or after the objective or by a combination of mirror-scanning methods, positioning by means of a coordinate table and rotational movement of the workpiece to be structured become.
  • the polarizer allows the adjustment of a predetermined polarization direction of the laser beam relative to
  • the used fs laser has z.
  • an average wavelength of 775 nanometers, a maximum laser pulse energy of one millijoule, a laser beam pulse duration of 130 femtoseconds, and a pulse repetition frequency of one kilohertz can also work with frequency doubling.
  • the generation of the suitable ripple structures as self-organizing trench-shaped nanostructures takes place by setting suitable laser energy fluences in the range of the material-specific AbtragsschwelIe, which also represents the threshold for ⁇ trukturtechnik, to about 1000 J / cm 2 , settings of polarization directions of the laser beam by means a control and settings of suitable relative speeds between focused or defocused laser beam and surface area in the range of 0.1 mm / s up to and including 1000 mm / s with ripple intervals or ripple periods and ripple trench depths in each case in the optical system for laser beam guidance integrated from 100 nm to 1000 nm as well as a ripple morphology determined by the relative movement and the polarization direction.
  • Fig. 2 shows the scheme of the technological process and the connection of the controllable components of the femtosecond laser system for the production of optically effective ripple structures.
  • the template e.g. Image, logo or authentication feature 13 by means of a conversion program 14 into a processing program 15, wherein the adjustment of the power 16 to the beam attenuator 2, the setting of the polarizer 17 and thus setting the ripple alignment on the polarizer 4 and the workpiece positioning and movement 18th is input to the focusing device 8.
  • FIG. 3 shows the ripple structures 23 generated on a flat workpiece surface 21 by means of a focused, linearly scanned laser beam 22 whose polarization direction has been set parallel to the scanning direction SD and by means of a focused, linearly scanned laser beam 24 whose polarization direction is perpendicular to the scanning direction SD was adjusted, ripple structures 25 shown schematically.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of the arrangement of a workpiece surface 26, laser beam 22 and surface area 27 scanned at right angles for producing elements for lettering and logos on the workpiece surface.
  • FIG. 5 shows two ripple tracks generated by linear scanning with laser beams of different cross-section on a workpiece surface 28, the polarization direction being set parallel to the scanning direction SD.
  • the polarization direction being set parallel to the scanning direction SD.
  • the left part of the laser beam 29 is focused on the workpiece surface, so that a narrow
  • a defocused laser beam 31 with a larger cross-section was directed onto the workpiece surface, whereby the track width of the generated ripple track 32 can be substantially increased and thus the effectiveness of the structuring method can be increased.
  • the trench depth of the generated ripples depends on the laser beam fluence and the incident laser pulse number on the workpiece surface, at higher fluences or Higher numbers of pulses result in greater depths and the color intensity or color brilliance of the structures produced increases.
  • FIGS. 6A and 6B show a pattern consisting of ripple structure regions 33, which were produced with different laser beam polarization direction in the linear scan mode, under different illumination angles and at the same observer location.
  • the laser beam of the fs laser can be performed by appropriate control of the relative movement between the laser beam and the workpiece surface also with predetermined track spacing, circular, polygonal, arcuate or elliptical or spirally over at least a portion of the surface of the workpiece, so that at the same time predetermined change of Polarization direction of the laser beam arise differently colored areas that can be combined to characters, figures, logos and images, so as to realize the most diverse representations and authentication features.
  • the result is thus an article with a zone-wise or entirely different and thus differently colored surface structure, the appearance of which has a similarity with holographic representations.
  • the object can thus be provided with authentication features or a code or is itself a coded object. In the latter case, this can be connected to other objects or integrated into them. Instead of the code, the objects can also be provided with patterns, lettering, logos or pictures. If the structured object is the surface of a printing roller, it can be used to emboss logos, images and the like, which show the same color effects, in particular on a metallic surface of packaging films.
  • the process according to the invention was carried out on tungsten carbide hard metal, ta-C (tetrahedrally bonded amorphous carbon), alcrona (AlCrW) and other metals. Also alloyed and unalloyed steels, cold and hot work steels or martensitic Cr steels can be machined with low material influence, the influence of the surface roughness being low.
  • printing roller surfaces of the above-mentioned materials or, for example, teeth of such rollers can be patterned so as to be applied to cigarette paper or packaging films for the
  • ripple structures were also observed with picosecond lasers, which could also be used, and it is conceivable that ripple structures can already occur with laser pulses in the nanosecond range.
  • Another area of application for the targeted use of ripple structures is the modification of a surface area of plague bodies, in particular of elements, components and tools, in order to achieve better surface-dependent properties.
  • Machining of surfaces of solids such as tools or workpieces are known to be done by mechanical and / or chemical methods. These are both additive and subtractive methods.
  • the latter mechanical methods are in particular machining methods.
  • electromagnetic radiation in particular laser beams, can be used.
  • the action of laser beams is known in the material processing, in particular to change the
  • a body surface may also be known to be modified by build-up welding of other or the same materials.
  • the generation of the ripple structures is used to modify or improve the above-mentioned properties of workpiece and tool surfaces.
  • the ripples lead to a surface with tooth-like structures, which offer a variety of uses.
  • the geometries of the recesses generated with the irradiation are largely the same.
  • a defined amount of fluid materials can be distributed evenly over the structure distributed on the surface with the ripple structure and / or be connected to this. This results in a variety of applications, especially in guides or movements on or in different media. This also results in medical applications advantages, especially if organic material must be connected to a F.est emotions.
  • the surface region of the article may be either a cutting edge or a cutting surface of a cutting tool, which is wetted with a processing emulsion after the laser irradiation.
  • the emulsion carrying capacity is increased, which makes larger processing speeds and extended lifetimes possible.
  • the cutting surface or the cutting edge of the tool is acted upon at least in a planar region at least so with laser beams that form the ripple structures as self-organizing trench-shaped nanostructures. This results in a surface with tooth-like structures, so that increased Spangeometrien can be achieved.
  • cooling liquid is present in the depressions, so that an increased stability is recorded.
  • the geometries of the recesses generated with the irradiation are largely the same, so that a defined amount of cooling fluid is evenly distributed over the structure on the surface with the ripple structure. This results in consistent machining conditions of the cutting surfaces or cutting edges provided with the ripple structure, whereby locally occurring overloading of the material is avoided.
  • the surface area of the article is at least one
  • this ripple structure can be easily transferred to other bodies by forming or molding. This can be economically favorable also other bodies in series with this ripple structure.
  • the surface of a tool is provided after laser irradiation either with a processing emulsion or with a processing paste. The resulting increase in the paste carrying capacity and
  • Paste adhesion for example, enables acceleration and quality improvement of the polishing process.
  • the surface area for a sliding guide after the laser irradiation is provided with an oil film.
  • the resulting increased oil film load capacity allows the reduction of friction and wear in sliding components. This also increases the service life of these components.
  • the surface area of the article may be a friction-stressed surface in a liquid or gaseous medium.
  • the flow resistance of the article in the liquid or gaseous medium is substantially reduced. This is achieved in particular by a ripple structure with uniformly distributed over the surface geometric shapes. Turbulences on the surface are minimized.
  • Air or on / in the water advantageous. Another advantage is the resulting reduction in the coefficient of friction in rolling or sliding friction, which also lead to dry running properties against solid friction partners to increase the service life of components and to improve runflat.
  • the surface area of the article is after the laser irradiation with a liquid or provided powdery dye, wherein the ripple structure, the dye-carrying capacity is increased. This is particularly advantageous for printing or embossing tools. The printing and embossing quality is improved, with even more uniform print jobs of the resulting color layers are given.
  • the surface area of the article is provided with an adhesive after the laser irradiation, whereby the surface to be bonded is enlarged by the ripple structure.
  • the wetting is significantly increased. This also results in an increase in the strength of the bond.
  • the surface area of the article may after the
  • Laser irradiation be provided or connected with an organic substance.
  • the ingrowth behavior in particular of implants, can be improved.
  • a prolonged period of use is given by a possible improved ingrowth behavior and reduction of rejection reactions.
  • a femtosecond laser with a pulsed laser radiation is used.
  • Material tungsten carbide carbide.
  • the device according to FIGS. 1 and 2 for modifying at least one surface area of solids, in particular of elements, components and tools, can also be used here.
  • the laser beam can also be guided over the surface area successively at least twice, either with polarization directions set perpendicular to one another or at an angle.
  • a Laserstrahlauskoppelnde, laser beam leading and laserstrahlfokussierende means of a femtosecond laser and a controlled laser beam deflecting or a relative movement between laser beam and surface area generating means spaced from the cutting surface or cutting edge arranged so that the laser beams can reach the surface of the cutting surface or the cutting edge.
  • the laser beams of the femtosecond laser are repeatedly guided over the cutting surface or the cutting edge of the tool, so that at least one planar figure is generated.
  • Plane figures are also composed of multi-pieced, circles, ellipses and spirals.
  • the laser beams can be guided for a plurality of spaced-apart straight, circular, arcuate or elliptical or on the other spiral over at least the cutting surface or the cutting edge of the tool.
  • the polarization direction of the laser radiation is at an angle to the direction of movement of the ferato laser beam. The angle is either 90 ° or a device for changing the polarization is located in the beam path of the
  • Laser radiation In the second case, either other angles can be set or angles can be changed continuously or stepwise depending on the movement of the laser beams.
  • the device for changing the polarization is coupled to the control device.
  • the directions of both the polarization and the direction of the relative movement are the same.
  • the result is a tool for machining workpieces.
  • the tool thus processed can advantageously be wetted with a processing emulsion.
  • suitable laser energy fluences in the range of the material specific Abtragsschwelle up to and including 1000 J / cm 2 , predetermined polarization directions of the laser beam with the controlled optical system for laser beam guidance and - suitable controlled relative speeds between focused laser beam and surface area in the range of 0.1 mm / s up to and including 1000 mm / s via the control set or changed stepwise, continuously or according to predetermined conditions.
  • ripple structures with ripple intervals and ripple trench depths in each case in the range of 100 to 1000 nm and a ripple morphology determined by the relative movement and the polarization direction formed, wherein a modification of the mechanical, chemical and biological surface properties is achieved on the given surface area.
  • the polarization direction of the laser beam is controllable in all directions during the relative movement.
  • the laser beam is guided over the surface area in such a way that straight, circular, arcuate, elliptical or spiral paths arise individually or in at least one combination.
  • the laser beam can be successively guided over the surface area at least twice either with polarization directions set perpendicular to one another or with polarization directions set at an angle to each other, so that projections (nubs) with the same intervals as the ripple period are formed.
  • the tools provided with such surface areas may then be provided with a processing emulsion or a processing paste or an oil film to serve as a surface for a slide or Wälz arrangement.
  • Objects with a surface with the nub structure can be used particularly advantageously for moving objects in liquid or gaseous media.
  • Ripple structures on ink-transferring rollers or plates lead to an advantageous enlargement of the surface.
  • ripple structures can be determined during their implementation, so that defined amounts of solid, preferably powdery, or liquid dye can be applied and transferred.
  • the surfaces which are enlarged by the ripple structures are also particularly advantageous in the adhesive bonding of articles as elements or components. But there are also benefits in medical applications, with organic matter being better deposited or organic
  • Body parts can be connected more firmly. This can be done both macroscopically, for example, with implants as well as microscopically, for example, for attachment of individual cells or cell sections. In addition to the enlargement of the surface so that an increased activation of the surface is connected.

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Abstract

Beim Verfahren zur gezielten Strukturierung mindestens eines Bereiches einer Festkörperoberfläche mit einem vorzugsweise Femtosekunden-Laser entstehen gitterartige Strukturen im Nanometer-Bereich (Ripples, LIPPS), wobei die gezielte Strukturierung dadurch erzeugt wird, dass die Laserstrahlung polarisiert wird und zwischen der Polarisationsebene und der Oberfläche eine Relativbewegung durchgeführt wird, um die gitterartigen Strukturen anzuordnen. Dadurch können beispielsweise Authentifikationsmerkmale auf relativ grossen Flächenbereichen, beispielsweise von Druckwalzen, erzeugt werden, die dann auf Verpackungsfolien geprägt werden können. In einem weiteren Anwendungsbereich kann mit obigen Verfahren die Oberfläche von Werkstücken derart verändert werden, dass durch die geordneten gitterartigen Nanostrukturen spanabhebende, ölrückhaltende oder haftende Eigenschaften verbessert werden können.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur gezielten Strukturierung einer Oberfläche mit einer Laseranlage
Die vorliegende Erfindung bezieht sich, auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strukturierung einer
Festkörperoberfläche mit einem Laser mit Pulslängen im Nano- bis Femtosekunden-Bereich, mit dem gitterartige Strukturen erzeugt werden.
Solche gitterartigen Strukturen, in der Literatur Ripples oder LIPSS (Laser- Induced Periodic Surface Structures) benannt, sind seit vielen Jahren bekannt und wurden zunächst als Störeffekt empfunden, da sie bei der Materialbearbeitung als unerwünschte Strukturierung der Materialoberfläche erschienen. In der Folge, insbesondere in den letzten
Jahren, wurde die Struktur der Ripples weiter erforscht, insbesondere im Zusammenhang mit Silicium-Oberflächen oder im Zusammenhang mit Gläsern, da dort dieses Phänomen zuerst entdeckt wurde und Anwendungen in Aussicht stehen.
Es sind mittlerweile eine grosse Anzahl von Publikationen zu diesem Thema veröffentlicht worden, so z.B. "A study of Femtosecond Laser interaction with Wafer Grade Silicon" in Proceedings of SPIE Vol. 4876 (2003) S. 487 ff. oder "Nanoscale Surface Modification by Femtosecond Laser
Sputtering" , Florenta Costache, LS Experimentalphysik II, Brandenburgische Technische Universität Cottbus, vom 2. Juni 2005.
Zum Zeitpunkt der Anmeldung ist festzuhalten, dass die Entstehung der sogenannten Ripples wissenschaftlich noch nicht geklärt ist und dass vor allem auch die Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung des Laserstrahles nicht in jedem Fall eindeutig festgelegt werden konnte und widersprüchliche Ergebnisse in verschiedenen Publikationen vorliegen .
Gemäss Stand der Technik war es beispielsweise mit Excimerlaser sinnvoll , Oberflächen von amorphen Materialien oder Stahl mikrozubearbeiten . Diese Mikrostrukturierung ist vor allem dann erforderlich, falls auf Verpackungsfolien für Zigaretten oder Lebensmittel durch Druckwalzen fälschungssichere Authentif izierungsmerkmale geprägt werden sollen .
Das Problem besteht dabei j edoch darin, dass j e nach Applikation die hierfür erforderlichen Masken bei industriell interessanten Fluenzen zerstört werden . Für einen Materialabtrag bei höheren Fluenzen sind strukturierte Tantalfolien oder dielektrische Spiegel erforderlich . Rasche Änderungen von Logos , Bildern, Schrift zügen und dergleichen erfordern j edes Mal die Herstellung einer neuen Maske .
Mittels Lithographie und geeigneten Ätztechniken ist es möglich, Stahl und andere amorphe harte Materialien fein zu strukturieren . Es wird hervorragende Qualität produziert , sofern gewisse Randbedingungen wie z . B . Oberflächenqualität des zu bearbeitenden Materials beherrscht werden . Die lithographischen Prozesse sind jedoch zeitraubend und nicht verwendbar, wenn z . B . rasche Änderungen an komplizierten Geometrien umgesetzt werden müssen .
Es ist von diesem Stand der Technik ausgehend eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur
Erzeugung von prägenden Oberflächenstrukturen, u . a . auf einer metallischen Oberfläche oder beispielsweise auf Zähnen von Prägewalzen, mit einer Vorrichtung mit einem Laser im Nano Sekunden- bis Femtosekundenbereich anzugeben, mit welcher es möglich ist , mit relativ geringem Aufwand beliebige Strukturen zu erzeugen, insbesondere auch solche, die auf Verpackungsfolien für die Zigaretten- und Lebensmittelindustrie ein Erscheinungsbild geben, das sich in Abhängigkeit von der Art und Richtung der Beleuchtung ändert. Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäss Patentanspruch 1 gelöst.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens anzugeben, die mit relativ einfachen Mitteln aufgebaut ist und es erlaubt, kleine bis grosse Bereiche von oder ganze Oberflächen zu bearbeiten. Diese Aufgabe wird mit der Vorrichtung von Patentanspruch 8 gelöst.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und Vorrichtung anzugeben, mit welchen die mechanischen, chemischen und biologischen Oberflächen-Eigenschaften von Werkstücken verbessert werden können. Diese Aufgabe wird mit den Patentansprüchen 13 und 27 gelöst.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert .
Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig. 2 zeigt ein Schema des technologischen Ablaufs eines erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der auf einer Oberfläche erzeugten Strukturen bei verschiedenen Polarisationsrichtungen des Laserstrahls,
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung zur Erzeugung ' von Zeichen auf der Oberfläche, Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer
Strukturierung mit fokussiertem und defokussiertem Laserstrahl,
Fig. 6Α zeigt schematisch ein erzeugtes Muster bei Beleuchtung unter einem Winkel, und
Fig. 6B zeigt das gleiche Muster wie in 6A bei einem anderen Beleuchtungswinkel und bei gleichem
Beobachterstandort .
In diesen Ausführungsbeispielen eines Anwendungsbereiches werden nachfolgend ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von farblich unterschiedlich oder holografisch wirkenden Oberflächenstrukturen auf wenigstens einem Oberflächenbereich von Gegenständen und eine Verwendung von Laserstrahlung zur Herstellung von Gegenständen mit derartigen Oberflächenstrukturen zusammen näher erläutert.
Zur Herstellung von Zeichen, Logos oder Authentifizierungs- Merkmale wird bei den Ausführungsbeispielen ein Oberflächenbereich des Gegenstandes mit einer bewegten Femtosekunden(fs) -Laserstrahlung so bestrahlt, dass sich durch die einwirkende und bewegte fs-Laserstrahlung selbstorganisierende, grabenförmige Nanostrukturen als optisches Gitter mit vorgegebener, im Bereich der Wellenlängen des sichtbaren Lichtes liegenden, Gitterkonstanten und Gitterrillentiefe auf dem vorgegebenen Oberflächenbereich bilden. Derartige Nanostrukturen werden auch als Ripple- oder LIPSS-Strukturen bezeichnet.
In der erfindungsgemässen Vorrichtung, eine Laseranlage, bzw. eine Femtosekunden-Lasermikrostrukturierungsanlage wird, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, der Laserstrahl eines Femtosekunden-Lasers (fs-Laser) 1 über einen Strahlabschwächer 2, optische Elemente zur Laserstrahlformung 3, einen einstellbaren Polarisator 4 und Umlenkspiegel 5, 6 und 7 mit Hilfe des Objektivs 8 auf die Oberfläche de zu strukturierenden Werkstückes 9 gerichtet.
In Fig. 1 ist das Werkstück auf einem xy-Koordinatentisch 10 montiert, der mittels Stromversorgungseinrichtungen 11 und Computer 12 eine rechnergesteuerte Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstückoberfläche und damit das Abscannen der Werkstückoberfläche mit dem in seinen Parametern gesteuerten Laserstrahl gestattet .
Die Relativbewegung zwischen Strahl und Werkstück-Oberfläche kann auch mit Hilfe von Spiegel-Scanner-Einrichtungen, die vor oder nach dem Objektiv angeordnet sind oder durch eine Kombination von Spiegel-Scan-Verfahren, Positionierung mittels Koordinatentisch und Rotations-Bewegung des zu strukturierenden Werkstücks realisiert werden.
Mit Hilfe des Abschwächers kann die Leistung des Laserstrahles und damit die Laserstrahlfluenz auf der Werkstückoberfläche variiert werden. Der Polarisator gestattet die Einstellung einer vorgegebenen Polarisationsrichtung des Laserstrahls relativ zur
Scannrichtung des Laserstrahls über die Werkstückoberfläche.
Der eingesetzte fs-Laser weist z. B. eine mittlere Wellenlänge von 775 Nanometer, eine maximale Laserpuls- Energie von einem Millijoule, eine Laserstrahlpulsdauer von 130 Femtosekunden und eine Pulswiederholfrequenz von einem Kilohertz auf, kann jedoch auch mit Frequenzverdopplung arbeiten. Die Erzeugung der geeigneten Ripple-Strukturen als sich selbst organisierende grabenförmige Nanostrukturen erfolgt durch Einstellung geeigneter Laserenergie-Fluenzen im Bereich von der materialspezifischen AbtragsschwelIe, die auch die Schwelle für die Ξtrukturierung darstellt, bis etwa 1000 J/cm2 , Einstellungen von Polarisationsrichtungen des Laserstrahls mittels einer im optischen System zur Laserstrahlführung integrierten Steuerung und Einstellungen von geeigneten Relativgeschwindigkeiten zwischen fokussiertem oder defokussierten Laserstrahl und Oberflächenbereich im Bereich von 0,1 mm/s bis einschließlich 1000 mm/s mit Ripple-Abständen oder Ripple- Perioden und Ripple-Grabentiefen jeweils im Bereich von 100 nm bis 1000 nm sowie einer durch die Relativbewegung und die Polarisations-Richtung bestimmten Ripple-Morphologie vorgenommen werden.
Fig. 2 zeigt das Schema des technologischen Ablaufs und die Verknüpfung der steuerbaren Bauelemente der Femtosekunden- Laseranlage zur Erzeugung von optisch wirksamen Ripple- Strukturen. Dabei wird die Vorlage, z.B. Bild, Logo oder Authentifizierungsmerkmal 13 mittels eines Konvertierprogramms 14 in ein Bearbeitungsprogramm 15 überführt, wobei die Einstellung der Leistung 16 auf den Strahlabschwächer 2, die Einstellung des Polarisators 17 und damit Einstellung der Ripple-Ausrichtung auf den Polarisator 4 und die Werkstückpositionierung und -bewegung 18 auf die Fokussierungseinrichtung 8 eingegeben wird.
Die Parameter der Synchronisation 19 und die Synchronisation
Laser-relativ bewegtes Werkstück wird in einer Schaltung 20 zusammengeführt, die mit der Fokussierungseinrichtung 8 und Relativbewegung Laserstrahl-Werkstück einerseits und mit dem fs-Laser 1 andererseits verbunden ist. In Fig. 3 sind beispielhaft die auf einer ebenen Werkstückoberfläche 21 mittels eines fokussierten, linear gescannten Laserstrahls 22, dessen Polarisationsrichtung parallel zur Scannrichtung SD eingestellt wurde, erzeugten Ripple Strukturen 23 und mittels eines fokussierten, linear gescannten Laserstrahls 24, dessen Polarisationsrichtung senkrecht zur Scannrichtung SD eingestellt wurde, erzeugten Ripple Strukturen 25 schematische dargestellt.
Durch Aneinanderlegen von Spuren im Linearscannmodus können auf diese Weise flächenhaft wirkende Gitterstrukturen erzeugt werden.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung einer Werkstückoberfläche 26, Laserstrahl 22 und rechtwinklig abgescanntem Oberflächenbereich 27 zur Erzeugung von Elementen für Schriftzüge und Logos auf der Werkstückoberflache .
In Fig. 5 sind zwei durch Linearscann mit Laserstrahlen mit unterschiedlichem Querschnitt auf einer Werkstückoberfläche 28 erzeugten Ripple-Spuren dargestellt, wobei die Polarisationsrichtung parallel zur Scannrichtung SD eingestellt wurde. Im linken Teil ist der Laserstrahl 29 auf die Werkstückoberfläche fokussiert, so dass eine schmale
Ripple-Spur 30 erzeugt wird.
Im rechten Teil wurde ein defokussierter Laserstrahl 31 mit größerem Querschnitt auf die Werkstückoberfläche gerichtet, wodurch die Spurbreite der erzeugten Ripple-Spur 32 wesentlich vergrößert und damit die Effektivität des Strukturierungsverfahrens erhöht werden kann. Die Grabentiefe der erzeugten Ripples hängt von der Laserstrahlfluenz und der auftreffenden Laserstrahlpulszahl auf der Werkstückoberfläche ab, bei höheren Fluenzen oder höherer Pulsanzahl entstehen größere Tiefen und die Farbintensität bzw. Farbbrillanz der erzeugten Strukturen nimmt zu .
Bei Verwendung der gleichen Laserstrahlparameter weisen deshalb Oberflächenbereiche, die mit fokussiertem Laserstrahl strukturiert wurden, eine höhere Farbbrillanz beim Betrachten auf. Um die gleiche Farbbrillanz bei größerem Laserstrahlquerschnitt durch Defokussierung zu erreichen, muss Laserpulsenergie und damit die Fluenz entsprechend erhöht werden.
Die Figuren 6A und βB zeigen ein Muster bestehend aus Ripple-Strukturbereichen 33, die mit unterschiedlicher Laserstrahlpolarisationsrichtung im Linearscanmodus erzeugt wurden, unter verschiedenen Beleuchtungswinkeln und bei gleichem Beobachterstandort.
Der Laserstrahl des fs-Lasers kann durch entsprechende Steuerung der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstückoberfläche auch mit vorgegebenen Spurabständen, kreisförmig, vieleckförmig, bogenförmig oder ellipsenförmig oder auch spiralförmig jeweils über wenigstens einen Bereich der Oberfläche des Werkstückes geführt werden, so dass bei gleichzeitiger vorgegebener Änderung der Polarisations- Richtung des Laserstrahls farblich unterschiedlich wirkende Bereiche entstehen, die zu Zeichen, Figuren, Logos und Bilder zusammengesetzt werden können, um somit die vielfältigsten Darstellungen und Authentifizierungsmerkmale zu realisieren.
Es ergibt sich somit ein Gegenstand mit einer bereichsweisen oder gänzlich veränderten und damit farblich unterschiedlich wirkenden Oberflächenstruktur, dessen Erscheinungsbild eine Ähnlichkeit mit holographischen Darstellungen aufweist. Der Gegenstand kann somit mit Authentifikationsmerkmalen oder einem Code versehen werden oder ist selbst ein codierter Gegenstand. Im letzteren Fall kann dieser mit weiteren Gegenständen verbunden oder in diese integriert werden. An Stelle des Codes können die Gegenstände auch mit Mustern, Schriftzügen, Logos oder Bildern versehen werden. Falls der strukturierte Gegenstand die Oberfläche einer Druckwalze ist, können damit insbesondere auf einer metallischen Oberfläche von Verpackungsfolien Logos, Bilder und dergleichen geprägt werden, die dieselben Farbeffekte zeigen.
Das erfindungsgemässe Verfahren wurde an Wolfram-Karbid- Hartmetall, ta-C (tetraedrisch gebundenem amorphen Kohlenstoff) , Alcrona (AlCrW) und weiteren Metallen durchgeführt. Auch legierte und unlegierte Stähle, Kalt- und Warmarbeitsstähle oder martensitische Cr-Stähle können mit geringem Materialeinfluss bearbeitet werden, wobei der Einfluss der Oberflächenrauhigkeit gering ist.
Insbesondere können mit dem erfindungsgemässen Verfahren Druckwalzen-Oberflächen aus obigen Materialien oder beispielsweise Zähne solcher Walzen strukturiert werden, um damit auf Zigarettenpapier oder Verpackungsfolien für die
Lebensmittelindustrie Logos und kleine, fälschungssichere Authentifizierungsmerkmale zu prägen.
In obigen Anwendungsbeispiel wurde ein Femtosekundenlaser verwendet, um damit geeignete Ripple-Strukturen zu erzeugen.
Es wurden jedoch auch Ripple-Strukturen mit Pikosekunden- Laser beobachtet, die ebenfalls verwendet werden könnten und es ist denkbar, dass bereits bei Laserpulse im Nanosekundenbereich Ripple-Strukturen entstehen können. Ein anderer Anwendungsbereich für die gezielte Verwendung von Ripple-Strukturen ist die Modifizierung eines Oberflächenbereiches von Pestkörpern, insbesondere von Elementen, Bauteilen und Werkzeugen, um bessere oberflächenabhängige Eigenschaften zu erzielen.
Bearbeitungen von Oberflächen von Festkörpern wie Werkzeuge oder Werkstücke erfolgen bekannterweise mit mechanischen und/oder chemischen Verfahren. Das sind sowohl additiv als auch subtraktiv arbeitende Verfahren. Letztere mechanische Verfahren sind insbesondere spanende Verfahren. Zur Bearbeitung von Körpern können auch elektromagnetische Strahlen, insbesondere Laserstrahlen, eingesetzt werden. Das Einwirken von Laserstrahlen wird in der Materialbearbeitung bekannterweise insbesondere zur Veränderung der
Werkstoffeigenschaften von Kδrperoberflachen, Härten oder zum Abtragen von Material von Körpern, Schneiden verwendet. Eine Körperoberfläche kann bekannterweise auch durch Auftragsschweißen von anderen oder gleichen Materialien verändert werden.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird die Erzeugung der Ripple-Strukturen dazu verwendet, die oben genannten Eigenschaften von Werkstück- und Werkzeugoberflächen zu modifizieren, bzw. zu verbessern.
Die Erzeugung dafür geeigneter Ripple-Strukturen als sich selbst organisierende grabenförmige Nanostrukturen erfolgt wie bereits eingangs erwähnt, - durch Einstellung geeigneter Laserenergiefluenzen im
Bereich von der materialspezifischen Abtragsschwelle bis etwa 1000 J/cm2, wobei die materialspezifische AbtragsschwelIe auch die Schwelle für die Strukturierung darstellt, - durch Einstellung von vorgegebenen Polarisationsrichtungen des Laserstrahls mittels einer im optischen System zur Laserstrahlführung integrierten Steuerung und
- durch Einstellung von geeigneten Relativgeschwindigkeiten zwischen fokussiertem Laserstrahl und Oberflächenbereich im
Bereich von 0,1 mm/s bis einschließlich 1000 mm/s mit Ripple-Abständen (Ripple-Perioden) und Ripple-Grabentiefen jeweils im Bereich von 100 nm bis 1000 nm sowie einer durch die Relativbewegung und die Polarisationsrichtung bestimmten Ripple-Morphologie.
Dadurch wird eine Modifizierung der mechanischen, chemischen und biologischen Oberflächeneigenschaften auf dem vorgegebenen Oberflächenbereich erreicht. Der Abstand und die Tiefe der Gräben ist damit von den Betriebsbedingungen des Lasers abhängig und bei gleichbleibenden Bearbeitungsbedingungen weitestgehend konstant .
Die Ripples führen zu einer Oberfläche mit zahnartigen Strukturen, die vielfältigste Einsatzmöglichkeiten bieten. Die mit der Bestrahlung erzeugten Geometrien der Vertiefungen sind weitestgehend gleich. Dadurch kann eine definierte Menge an fluiden Materialien gleichmäßig über die Struktur verteilt auf der Oberfläche mit der Ripple-Struktur aufgebracht und/oder mit dieser verbunden werden. Daraus resultieren die verschiedensten Anwendungsmöglichkeiten insbesondere bei Führungen oder Bewegungen auf oder in verschiedenen Medien. Damit ergeben sich auch bei medizinischen Anwendungen Vorteile, insbesondere dann, wenn organisches Material mit einem F.estkörper verbunden werden muss .
Wie beim ersten Anwendungsbereich wird mit einer Anlage gemäss den Figuren 1 und 2 eine Relativbewegung Laserstrahl- Werkstückoberfläche erzeugt, um die Ripple-Strukturen auf der Oberfläche gezielt anzuordnen.
Dabei kann der Oberflächenbereich des Gegenstandes entweder eine Schneidkante oder eine Schneidfläche eines Spanabhebenden Werkzeugs sein, die nach der Laserbestrahlung mit einer Bearbeitungsemulsion benetzt wird. Dadurch ist die Emulsionstragfähigkeit erhöht, wodurch größere Bearbeitungs- Geschwindigkeiten sowie verlängerte Lebensdauern möglich werden. Dazu wird die Schneidfläche oder die Schneidkante des Werkzeugs wenigstens in einem ebenen Bereich mindestens so mit Laserstrahlen beaufschlagt, dass sich die Ripple- Strukturen als sich selbstorganisierende grabenförmige Nanostrukturen ausbilden. Dadurch ergibt sich eine Oberfläche mit zahnartigen Strukturen, so dass erhöhte Spangeometrien erzielbar sind.
Gleichzeitig befindet sich während des Schneidvorganges Kühlflüssigkeit, in den Vertiefungen, so dass eine erhöhte Standfestigkeit zu verzeichnen ist. Die mit der Bestrahlung erzeugten Geometrien der Vertiefungen sind weitestgehend gleich, so dass sich eine definierte Menge an Kühlflüssigkeit gleichmäßig über die Struktur verteilt auf der Oberfläche mit der Ripple-Struktur befindet. Daraus resultieren gleichbleibende Bearbeitungsbedingungen der mit der Ripple-Struktur versehenen Schneidflächen oder Schneidkanten, wobei lokal auftretende Überlastungen des Materials vermieden werden.
Der Oberflächenbereich des Gegenstandes ist wenigstens eine
Fläche eines Umform- oder Abformwerkzeugs . Dadurch kann in einfacher Weise diese Ripple-Struktur durch Umformung oder Abformung auf andere Körper übertragen werden. Damit können ökonomisch günstig auch weitere Körper in Serie mit dieser Ripple-Struktur versehen werden. Die Oberfläche eines Werkzeugs wird nach der Laserbestrahlung entweder mit einer Bearbeitungsemulsion oder mit einer Bearbeitungspaste versehen. Die daraus resultierende Erhöhung der Pastentragfähigkeit und
Pastenhaftung ermöglicht zum Beispiel eine Beschleunigung und Qualitätsverbesserung des Polierprozesses.
Der Oberflächenbereich für eine Gleitführung nach der Laserbestrahlung wird mit einem Ölfilm versehen. Die dadurch vorhandene erhöhte Ölfilmtragfähigkeit ermöglicht die Verringerung der Reibung und des Verschleißes bei aufeinander gleitenden Bauteilen. Dadurch erhöht sich auch die Einsatzdauer dieser Bauteile.
Der Oberflächenbereich des Gegenstandes kann eine auf Reibung beanspruchte Oberfläche in einem flüssigen oder gasförmigen Medium sein. Dadurch wird der Strömungswiderstand des Gegenstandes im flüssigen oder gasförmigen Medium wesentlich verringert. Das wird insbesondere durch eine Ripple-Struktur mit über die Oberfläche gleichmäßig verteilten geometrischen Formen erreicht. Verwirbelungen an der Oberfläche werden minimiert.
Das ist insbesonders bei Apparaten zur Beförderung in der
Luft oder auf/im Wasser vorteilhaft. Ein weiterer Vorteil besteht in der dadurch vorhandenen Verringerung des Reibkoeffizienten bei Wälz- oder Gleitreibung, die zur Erhöhung der Einsatzdauer von Bauteilen und zur Verbesserung von Notlaufeigenschaften auch Trockenlaufeigenschaften gegen feste Reibpartner führen.
Besondere Anwendungen ergeben sich in der Mikrofluidik und Mikrohydraulik. Der Oberflächenbereich des Gegenstandes wird nach der Laserbestrahlung mit einem flüssigen oder pulverförmigen Farbstoff versehen, wobei durch die Ripple- Struktur die Farbstofftragfähigkeit erhöht wird. Das ist für Druck- oder Prägewerkzeuge besonders vorteilhaft. Die Druck- und Prägequalität wird verbessert, wobei auch gleichmäßigere Druckaufträge der damit erzeugten Farbschichten gegeben sind.
Bei einem anderen Beispiel wird der Oberflächenbereich des Gegenstandes nach der Laserbestrahlung mit einem Kleber versehen, wobei durch die Ripple-Struktur die zu verklebende Oberfläche vergrößert wird. Die Benetzung wird wesentlich erhöht. Daraus resultiert auch eine Erhöhung der Festigkeit der Klebung.
Der Oberflächenbereich des Gegenstandes kann nach der
Laserbestrahlung mit einem organischen Stoff versehen oder verbunden werden. Dadurch kann das Einwachsverhalten insbesondere von Implantaten verbessert werden. Gleichzeitig ist eine verlängerte Einsatzdauer durch ein mögliches verbessertes Einwachsverhalten und Verringerung von Abstoßreaktionen gegeben.
Vorteilhafterweise kommt ein Femtosekunden-Laser mit einer gepulsten Laserstrahlung zum Einsatz. Material: Wolfram- Carbid-Hartmetall .
1. Ausführungsbeispiel
Die Vorrichtung gemäss Figuren 1 und 2 zur Modifizierung wenigstens eines Oberflächenbereiches von Festkörpern, insbesondere von Elementen, Bauteilen und Werkzeugen, kann auch hier Anwendung finden.
Zur Modifizierung der Schneidfläche oder der Schneidkante on Werkzeugen zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken wird diese mit Laserstrahlpulsen mit Pulsdauern im Bereich von Nanosekunden bis Femtosekunden, insbesondere im Femtosekundenbereich, bestrahlt. Bei der Laserstrahl- Einwirkung entstehen Ripple-Strukturen als sich selbst organisierende grabenförmige Nanostrukturen.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Laserstrahl auch nacheinander wenigstens zwei Mal entweder mit senkrecht zueinander oder unter einem Winkel eingestellten Polarisationsrichtungen über den Oberflächenbereich geführt werden. Dazu ist eine laserstrahlauskoppelnde, laserstrahlführende und laserstrahlfokussierende Einrichtung eines Femtosekunden-Lasers und eine gesteuerte laserstrahlablenkende oder eine Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Oberflächenbereich erzeugende Einrichtung beabstandet zur Schneidfläche oder Schneidkante angeordnet, so dass die Laserstrahlen auf die Oberfläche der Schneidfläche oder der Schneidkante gelangen können.
Die Laserstrahlen des Femtosekunden-Lasers werden über die Schneidfläche oder die Schneidkante des Werkzeugs mehrfach geführt, so dass wenigstens eine ebene Figur erzeugt wird. Ebene Figuren sind Mehrecke, Kreise, Ellipsen und Spiralen auch zusammengesetzt. Dazu sind der Antrieb der laserstrahlablenkenden Einrichtung und der Femtosekunden-
Laser mit der Steuerung als ein Datenverarbeitungssystem in Form eines Computers zusammengeschaltet.
Damit können die Laserstrahlen zum einen mehrfach beabstandet geradlinig, kreisförmig, bogenförmig oder ellipsenförmig oder zum anderen spiralförmig über wenigstens die Schneidfläche oder die Schneidkante des Werkzeugs geführt werden. In einer ersten Ausführungsform des Ausführungsbeispiels ist die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung winklig zur Bewegungsrichtung des Ferato-Laserstrahles . Der Winkel beträgt entweder 90° oder eine Einrichtung zur Änderung der Polarisation befindet sich im Strahlengang der
Laserstrahlung. Im zweiten Fall können entweder andere Winkel eingestellt oder Winkel in Abhängigkeit der Bewegung der Laserstrahlen kontinuierlich oder schrittweise geändert werden. Die Einrichtung zur Änderung der Polarisation ist an die Steuereinrichtung gekoppelt.
In einer zweiten Ausführungsform des Ausführungsbeispiels sind die Richtungen sowohl der Polarisation als auch die Richtung der Relativbewegung gleich. Ergebnis ist ein Werkzeug zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken. Zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken kann das so bearbeitete Werkzeug vorteilhafterweise mit einer Bearbeitungsemulsion benetzt werden.
2. Ausführungsbeispiel
Dazu werden geeignete Laserenergiefluenzen im Bereich von der materialspezifischen Abtragsschwelle bis einschließlich 1000 J/cm2 , vorgegebene Polarisationsrichtungen des Laserstrahls mit dem gesteuerten optischen System zur Laserstrahlführung und - geeignete gesteuerte Relativgeschwindigkeiten zwischen fokussiertem Laserstrahl und Oberflächenbereich im Bereich von 0,1 mm/s bis einschließlich 1000 mm/s über die Steuerung eingestellt oder schrittweise, kontinuierlich oder nach vorgegebenen bestimmten Bedingungen verändert. Es werden Ripple- Strukturen mit Ripple-Abständen (Ripple-Perioden) und Ripple-Grabentiefen jeweils im Bereich von 100 um bis 1000 nm sowie einer durch die Relativbewegung und die Polarisationsrichtung bestimmte Ripple-Morphologie ausgebildet, wobei eine Modifizierung der mechanischen, chemischen und biologischen Oberflächeneigenschaften auf dem vorgegebenen Oberflächenbereich erreicht wird.
Die Polarisationsrichtung des Laserstrahls ist während der Relativbewegung in allen Richtungen steuerbar.
Der Laserstrahl wird über den Oberflächenbereich so geführt, dass geradlinige, kreisförmige, bogenförmige, ellipsenförmige oder spiralförmige Bahnen einzeln oder in wenigstens einer Kombination entstehen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Laserstrahl nacheinander wenigstens zwei Mal entweder mit senkrecht zueinander eingestellten Polarisationsrichtungen oder mit unter einem Winkel zueinander eingestellten Polarisationsrichtungen über den Oberflächenbereich geführt werden, so dass Erhebungen (Noppen) mit den gleichen Abständen wie die Ripple-Periode entstehen.
Die mit derartigen Oberflächenbereichen versehenen Werkzeuge können anschliessend mit einer Bearbeitungsemulsion oder einer Bearbeitungspaste oder einem Ölfilm versehen werden, um als eine Oberfläche für eine Gleit- oder Wälzführung zu dienen.
Gegenstände mit einer Oberfläche mit der Noppenstruktur können insbesonders vorteilhaft für bewegte Gegenstände in ■ flüssigen oder gasförmigen Medien angewandt werden. Ripple- Strukturen auf farbübertragenden Walzen oder Platten führen zu einer vorteilhaften Vergrößerung der Oberfläche. Die
Geometrie dieser Ripple-Strukturen können bei deren Realisierung bestimmt werden, so dass definierte Mengen von festen, vorzugsweise pulverförmigen, oder flüssigen Farbstoff aufgetragen und übertragen werden können. Die durch die Ripple-Strukturen vergrößerten Oberflächen sind auch bei Klebverbindungen von Gegenständen als Elemente oder Bauteile besonders vorteilhaft . Aber auch bei medizinischen Anwendungen sind Vorteile vorhanden, wobei organische Stoffe verbessert angelagert oder organische
Körperteile fester verbunden werden können. Das kann sowohl makroskopisch zum Beispiel bei Implantaten als auch mikroskopisch zum Beispiel zur Anlagerung einzelner Zellen oder Zellabschnitte erfolgen. Neben der Vergrößerung der Oberfläche ist damit eine erhöhte Aktivierung der Oberfläche verbunden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Strukturierung mindestens eines Bereiches einer Festkörperoberfläche eines prägenden Gegenstandes, mit einer Vorrichtung mit einem Laser mit Pulslängen im Nano- bis Femtosekundenbereich, mit der gitterartige Strukturen im Nanometer-Bereich (LIPPS) erzeugt werden, wobei die gezielte Strukturierung dadurch erzeugt wird, dass die Laserstrahlung polarisiert wird und zwischen der Polarisationsebene und der Oberfläche des Gegenstandes eine Relativbewegung durchgeführt wird, um die gitterartigen Strukturen anzuordnen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisation des Laserstrahls senkrecht oder parallel zur Scannrichtung (SD) eingestellt wird und das auf einem Koordinatentisch liegende Werkstück unter dem Strahl verfahren wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Einrichtung zur Änderung der Polarisation im Strahlengang der Laserstrahlung die Polarisationsebene des Laserstrahls verändert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des zu strukturierenden Oberflächenbereichs der Laserstrahl und/oder das Werkstück derart gesteuert werden, dass geradlinige, kreisförmige, bogenförmige, ellipsenförmige oder spiralförmige Bahnen entstehen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Gegenstandes aus Wolfram-Karbid-Hartmetall, ta-C, Alcrona (AlCrN) , legierter und unlegierter Stahl, Kalt- und Warmarbeitsstahl oder martensitischer Cr-Stahl besteht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der entstandene strukturierte
Oberflächenbereich wenigstens eine ebene Einzelstruktur, eine aus mehreren Einzelstrukturen zusammengesetzte Struktur oder eine Kombination aus zusammengesetzten Strukturen ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der strukturierte Oberflächenbereich wenigstens ein Code, Muster, Schriftzug, Logo und/oder Bild oder ein Authentifizierungsmerkmal jeweils einzeln oder in wenigstens einer Kombination enthält oder ist .
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Laser (1) mit Pulslängen im Nanosekunden- bis Femtosekundenbereich, Mittel zum Polarisieren des Laserstrahles (4) , eine Fokussiereinrichtung (8) und Mittel (5, 6, 7; 10) zur Durchführung einer Relativbewegung zwischen der Polarisationsebene des Laserstrahles und der Oberfläche des prägenden Gegenstandes aufweist .
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (1) mit Pulslängen im Femtosekundenbereich arbeitet .
10. Vorrichtung nach Anspruch S1 dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Durchführung einer Relativbewegung gesteuerte Umlenkspiegel (5, 6, 7) enthalten.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Durchführung einer Relativbewegung einen Koordinatentisch (10) zur Aufnahme des Werkstücks (9) enthalten.
12. Anwendung des Verfahrens getnäss einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche einer Druckwalze und/oder von darauf angeordneten Zähnen derart strukturiert wird, dass die Druckwalze imstande ist, Logos, Schriftzeichen, Bilder und/oder Authentifizierungsmerkmalen auf einer Verpackungsfolie zu prägen, die Gitterstrukturen aufweisen, die das einstrahlende Licht je nach Blickwinkel verschiedenfarbig reflektieren.
13. Verfahren zur Modifizierung wenigstens eines Oberflächenbereiches von Festkörpern, insbesondere von Elementen, Bauteilen und Werkzeugen, durch Laserbestrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich mit Laserstrahlpulsen mit Pulsdauern im Bereich von Nanosekunden bis Femtosekunden so bestrahlt wird, dass die bei der Laserstrahleinwirkung auf Festkörperoberflächen entstehenden Ripple-Strukturen als sich selbst organisierende grabenförmige Nanostrukturen durch Einstellung geeigneter Laserenergiefluenzen im Bereich von der materialspezifischen AbtragsschwelIe bis einschliesslich 1000 J/cm2 und durch Einstellung von vorgegebenen Polarisationsrichtungen des Laserstrahls mittels einer im optischen System zur Laserstrahlführung integrierten Steuerung und durch Einstellung von geeigneten Relativgeschwindigkeiten zwischen fokussiertem Laserstrahl und Oberflächenbereich im Bereich von 0,1 mm/s bis einschließlich 1000 mm/s mit Ripple- Abständen oder Ripple-Perioden und Ripple-Grabentiefen jeweils im Bereich von 100 nm bis 1000 nm sowie einer durch die Relativbewegung und die Polarisationsrichtung bestimmte Ripple-Morphologie so ausgebildet werden, dass eine Modifizierung der mechanischen, chemischen und biologischen Oberflächeneigenschaften auf dem vorgegebenen Oberflächenbereich erreicht wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativgeschwindigkeit im Bereich von 0,1 mm/s bis einschließlich 1000 mm/s mit Ripple-Abständen (Ripple- Perioden) und Ripple-Grabentiefen jeweils im Bereich von 100 nm bis 1000 nm liegen.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtung des Laserstrahls während der Relativbewegung konstant,
- senkrecht zur Richtung der Relativbewegung,
- in Richtung der Relativbewegung, - in einem Winkel relativ zur Richtung der Relativbewegung oder
- mit sich in Richtung der Relativbewegung über eine Steuerung vorgegeben variierten Winkeln eingestellt ist oder gesteuert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Einrichtung zur Änderung der Polarisation im Strahlengang der Laserstrahlung die Polarisationsrichtung des Laserstrahls schrittweise veränderlich oder kontinuierlich veränderlich eingestellt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl so über den Oberflächenbereich geführt wird, dass geradlinige, kreisförmige, bogenförmige, ellipsenförmige oder spiralförmige Bahnen einzeln oder in wenigstens einer Kombination entstehen.
18. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl nacheinander wenigstens zwei Mal entweder mit senkrecht zueinander eingestellten Polarisationsrichtungen oder mit unter einem Winkel zueinander eingestellten Polarisationsrichtungen über den Oberflächenbereich geführt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes als entweder eine Schneidkante oder eine Schneidfläche eines Span abhebenden Werkzeugs nach der Laserbestrahlung mit einer Bearbeitungsemulsion benetzt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes wenigstens eine Fläche eines Umform- oder Abformwerkzeugs ist .
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes als eine Oberfläche eines Werkzeugs nach der Laserbestrahlung entweder mit einer Bearbeitungsemulsion oder mit einer Bearbeitungspaste versehen wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes als eine Oberfläche für eine Gleit- oder Wälzführung nach der Laserbestrahlung mit einem Ölfilm versehen wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes eine auf Reibung beanspruchte Oberfläche in einem flüssigen oder gasförmigen Medium ist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes nach der Laserbestrahlung mit einem festen, vorzugsweise pulverförmigen, oder flüssigen Farbstoff versehen wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes nach der Laserbestrahlung mit einem Kleber versehen wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Gegenstandes nach der Laserbestrahlung mit einem organischen Stoff versehen oder verbunden wird.
27. Vorrichtung zur Modifizierung wenigstens eines Oberflächenbereiches von Festkörpern, insbesondere von Elementen, Bauteilen und Werkzeugen, durch Laserbestrahlung nach dem Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine laserstrahlauskoppelnde, laserstrahlführende und laserstrahlfokussierende und/oder laserstrahlabbildende Einrichtung eines Lasers und eine gesteuerte laserstrahlablenkende oder eine Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Oberflächenbereich erzeugende Einrichtung so angeordnet sind, dass der Oberflächenbereich mit Laserstrahlpulsen mit Pulsdauern im Bereich von Nanosekunden bis Femtosekunden bestrahlt wird, so dass die bei der Laserstrahleinwirkung auf Festkörperoberflächen entstehenden Ripple-Strukturen als sich selbst organisierende grabenförmige Nanostrukturen durch
Einstellung geeigneter Laserenergiefluenzen im Bereich von der materialspezifischen Abtragsschwelle bis einschließlich 1000 ,J/cms und durch Einstellung von vorgegebenen Polarisationsrichtungen des Laserstrahls mittels einer im optischen System zur Laserstrahlführung integrierten
Steuerung und durch Einstellung von geeigneten Relativgeschwindigkeiten zwischen fokussiertem Laserstrahl und Oberflächenbereich im Bereich von 0,1 mm/s bis einschließlich 1000 mm/s mit Ripple-Abständen oder Ripple- Perioden und Ripple-Grabentiefen jeweils im Bereich von 100 nm bis 1000 nm sowie einer durch die Relativbewegung und die Polarisationsrichtung bestimmte Ripple-Morphologie ausgebildet werden und der strukturierte Bereich wenigstens eine ebene Figur ist .
28. Vorrichtung, nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Femtosekunden-Laser ist.
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