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Verfahren zum Markieren von Glas - Dokument DE10234002B4
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10234002B4 20.07.2006
Titel Verfahren zum Markieren von Glas
Anmelder SCHOTT AG, 55122 Mainz, DE
Erfinder Witzmann, André, Dr., 95679 Waldershof, DE;
Trinks, Ulla, Dr., 95666 Mitterteich, DE
Vertreter Richardt, M., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 65343 Eltville
DE-Anmeldedatum 25.07.2002
DE-Aktenzeichen 10234002
Offenlegungstag 12.02.2004
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 20.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.07.2006
IPC-Hauptklasse B44F 1/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C03B 29/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   C03B 23/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   C03C 23/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B44F 1/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Markieren von Glas.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Markieren oder Beschriften von Glas bekannt. Beispielsweise werden Markierungen oder Beschriftungen mittels eines selbstklebenden, transparenten Films, der eine Aufschrift trägt, auf das Glas aufgebracht. Ferner ist es bekannt, Glas mittels Laserstrahlen zu markieren oder zu beschreiben:

Aus der DE 44 07 547 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus transparentem Material mit einer Markierung im Inneren des Körpers bekannt, bei dem sich im Inneren des Körpers ein begrenzter räumlicher Bereich befindet, in dem durch Laserstrahlung punktförmige Mikrorisse gebildet werden. Die Mikrorisse weisen einen solchen Durchmesser auf, dass sie mit dem freien Auge sichtbar sind.

Aus der WO 92/03297 A1 (= DE 41 266 26 C2) ist ein Verfahren zum Versehen eines Materialkörpers aus Glas oder Kunststoff mit einer unter der Oberfläche angeordneten Markierung bekannt. Hierzu wird auf die Oberfläche des Materialkörpers ein Strahl hoher Energiedichte gerichtet, für den das Material durchlässig ist. Der Strahl wird an einem Ort fokussiert, der von der Oberfläche einen Abstand aufweist und innerhalb des Materialkörpers angeordnet ist, wodurch die Markierung bewirkt wird. Bei diesem Verfahren wird im Inneren des zu markierenden Glaskörpers durch die Laserstrahlung das Material ionisiert, so dass ebenfalls Mikrorisse entstehen.

Ein weiteres entsprechendes Verfahren ist aus der WO 94/14567 A1 bekannt, bei dem ein Bild im Inneren des Körpers ebenfalls durch die Bildung von lokalen Mikrorissen erzeugt wird.

Bei den zuvor genannten aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren werden Festkörperlaser (Nd:YAG) mit einer hohen Energiedichte von > 107 W/cm2 eingesetzt. Nachteilig bei den vorgenannten Verfahren ist, dass nur bestimmte Gläser mit derartiger Laserstrahlung reagieren. Ferner ist nachteilig, dass die Mikrorissstruktur die Materialeigenschaften des markierten Glases verschlechtert.

Aus der WO 00/32349 A1 und der WO 00/32531 A1 sind Verfahren zur Markierung von Glas bekannt, die ebenfalls mit Festkörperlasern (Nd:YAG) arbeiten, bei denen die Laserparameter so gewählt sind, dass keine bruchauslösenden Mikrorisse entstehen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass die erzeugte Markierung mit dem bloßem Auge nicht erkennbar ist. Nachteilig ist ferner, dass die Fokussierung des Laserstrahls im Inneren des Glaskörpers ein hinreichend großes Glasvolumen bzw. eine Mindestwanddicke von z.B. mindestens 1 mm voraussetzt, um ein Risswachstum bis zur Oberfläche zu vermeiden.

Um trotz der weitgehenden Transparenz des Glases für die Wellenlängen von Festkörperlasern eine Wechselwirkung bzw. einen Markiereffekt zu erzielen, ist es bekannt, absorbierende Schichten auf das Glas aufzubringen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der EP 07 613 77 B1 bekannt, wobei ein Nd:YAG Laser mit einer Wellenlänge von 1,06 &mgr;m für die Markierung der aufgebrachten Materialschicht verwendet wird. Ferner ist aus der DE 422 428 2 A1 ein entsprechendes Verfahren bekannt, bei dem ein metalldotiertes Spezialglas mit einem Nd:YAG Laser markiert wird.

Aus der WO 95/05286 A1 ist ein Verfahren zur Innenmarkierung eines Glaskörpers ohne Veränderung der Glasoberfläche bekannt. Dazu wird ein CO2 Laser verwendet, der eine Energiedichte von mindestens 6 kW/cm2 Energiedichte im Fokus aufweist, um lokale Spannungen unter der Oberfläche in bis zu ca. 50 &mgr;m Tiefe einzubringen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass die Markierungen mit bloßem Auge nicht sichtbar sind.

Aus der DE 312 1138 C2 ist ferner ein Verfahren zum Dekorieren von Glaserzeugnissen bekannt, bei dem ein Laserstrahl von einer solchen maximalen Energie zur Anwendung kommt, dass Glasmasse von der Oberflächenschicht verdampft oder eine Änderung der optischen Durchlässigkeit des Glases verursacht.

Aus der DE 314 5278 C2 ist ein weiteres Verfahren zum Abtragen von Material von der Glasoberfläche mittels eines Laserstrahls bekannt, bei dem der Laserstrahl durch eine teilweise absorbierende Matrix in eine Vielzahl von Einzelstrahlen aufgeteilt wird.

Ferner ist aus der DE 413 2817 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem durch einen Laserstrahl punktuell das Glas an der zu behandelnden Oberfläche aufgeschmolzen wird. Nachteilig bei den genannten materialabtragenden Verfahren ist, dass Absaugvorrichtungen erforderlich sind, um verdampftes Glasmaterial zu entfernen. Außerdem werden die Materialeigenschaften nachteilig beeinflusst.

Ein besonderer Nachteil bei dem genannten Verfahren ist die notwendige Wärmebehandlung des Glases vor, während oder nach der Laserbearbeitung, um das Glas zu entspannen, da die Laserbearbeitung bei Temperaturen unter der Transformationstemperatur stattfindet.

Aus der DE 199 26878 A1 ist ein Verfahren zum Gravieren von Glasbehältern mittels Laserstrahlen bekannt, das einen Lack verwendet, der aus einer Kombination von einer verglasbaren Grundlage mit einem Pigment besteht, das die Eigenschaft besitzt, unter der Wirkung mit dem Laserstrahl zu reagieren und die Farbe der verwendeten Kombination zu ändern.

Ferner ist aus der WO 99/00215 A1 ein Verfahren bekannt, welches auf einer Kombination der bekannten Verfahren zur Oberflächenmarkierung und Innenmarkierung von Glas beruht.

Aus der WO 96/10777 A1 ist ein Verfahren zur Markierung der Glasoberfläche mittels UV-Laserstrahlung bekannt, bei dem nur eine Mikrostrukturierung, die ohne Hilfsmittel nicht erkennbar ist, erzielt werden kann.

Aus der JP 09 278494 A ist ein Verfahren zur Markierung eines Glassubstrats bekannt. Zur Markierung wird ein YLF Laser mit einer Wellenlänge von ca. 262nm verwendet.

Aus der JP 10 101379 A ist ein weiteres Verfahren zur Markierung von Glas bekannt. Bei diesem Verfahren werden pulsierende Laserstrahlen einer Wellenlänge von 2.300 nm verwendet, wobei jede zu markierende Stelle auf dem Glas zwischen drei und einhundertmal mit einem Laserstrahl zu beaufschlagen ist.

Aus der DE 34 25 263 A1 ist ein Verfahren zum Einschreiben von Informationen in das Volumen von transparenten Materialien mittels Laserstrahl bekannt, bei dem durch die Wahl der Fokussierung des Laserstrahls die Information in verschiedene Materialtiefen eingeschrieben werden kann.

Aus der DE 196 46 331 A1 ist ein direktschreibendes Laser-Verfahren zur Erzeugung erhabener Strukturen (Reliefs) bekannt. Zur lokalen plastischen Verformung wird ein Energieeintrag in das Substrat für eine lokale, thermisch induzierte Expansion durch einen fokussierten Laserstrahl durchgeführt

Aus der DE 196 46 331 A1 ist ein Laser basiertes Verfahren für die Herstellung von Schriftzeichen im Inneren eines Werkstückes bekannt. Hierbei werden ohne Oberflächenschädigung in einer vergleichsweise großen Tiefe innerhalb eines Werkstückes Veränderungen realisiert.

Aus der DE 198 23 257 A1 ist ein Verfahren zur definierten dauerhaften Veränderung des Extinktionsspektrums metallpartikelhaltiger Dielektrika durch intensive Laserimpulse bekannt. Die Veränderung wird durch Einstrahlung von intensivem Laserlicht in eine durch Anregung von Oberflächenplasmonen in den Metallpartikeln verursachte Extinktionsbande bewirkt.

Aus der DE 100 33 562 A1 ist es bekannt, zur Realisierung eines Echtheitsmerkmals eine unterhalb eines Glases angeordnete Fläche so zu präparieren, dass die Oberfläche der unterhalb des Glases angeordneten Fläche Merkmale aufweist, die als Echtheitsmerkmal dienen. Die Überprüfung des Echtheitsmerkmals erfolgt dabei durch entsprechende Teilmerkmale in dem Glas. Bei einer Flasche mit eingefülltem Medium kann zum Beispiel eine spezielle Linse eingeschliffen sein, die mikroskopische Fasern oder dergleichen sichtbar macht, um die Echtheit des Mediums nachzuweisen. Zur Realisierung eines solchen Teilmerkmals kann das Glas auch eingefräst werden. Nachteilig ist hierbei, dass die schleifende oder fräsende Bearbeitung des Glases relativ aufwendig ist und auch nicht reversibel ist. Ferner kommt es durch die spanabhebende Bearbeitung des Glases zu einer Schwächung der Glasstruktur, das heißt die Bildung von Mikrorissen und dergleichen.

Aus der WO 01/11 591 A1 ist ein Komposit zur optischen Anzeige eines Bildes, insbesondere Zurverfügungstellung eines Sicherheitsmerkmals, bekannt. Zur Herstellung des Komposits wird eine Schicht von Mikrolinsen separat hergestellt und auf eine Kunststoffschicht des Komposits aufgebracht. Nachteilig ist, das dies mit einem erheblichen fertigungstechnischen Aufwand verbunden ist. Ein entsprechendes Sicherheitsmerkmal mit einer Mikrolinsenschicht ist auch aus der US 5,712,731 A bekannt.

Aus der DE 100 44 485 A1 ist ein Linsenrasterelement mit einer Anordnung von kleinsten Zylinderlinsen bekannt. Das Linsenrasterelement wird für fotographische Printer zum Belichten und Drucken des Linsenrasterelements eingesetzt. Auch hierbei ist nachteilig, dass die Herstellung eines Linsenrasterelements mit einer Anordnung von kleinsten Zylinderlinsen sehr aufwendig ist.

Aus der DE 23 44 050 A1 ist die Einbringung von Vertiefungen in eine Glasplatte mittels Laserstrahl bekannt. Aus der EP 0 690 028 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Mikrolinsen mittels Laserstahl bekannt. Nach beiden Verfahren erfolgt keine Erhitzung der Gläser vor der Laserbearbeitung.

Beschriftete Glasgefäße werden beispielsweise zum Einfüllen von Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Medikamenten, verwendet. Das Medikament wird typischerweise in dem Glasgefäß einer Qualitätsprüfung unterzogen, indem eine Eigenschaft des Medikaments optisch inspiziert wird. Hierzu sind aus dem Stand der Technik an sich optische Inspektionssysteme bekannt, die beispielsweise zur automatischen Feststellung der Anzahl von Schwebeteilchen pro Volumeneinheit in der Flüssigkeit oder anderer Eigenschaften geeignet sind. Nachteilig bei vorbekannten Glasgefäßen ist hierbei, dass die optische Inspektion der Eigenschaft durch eine auf dem Glasgefäß befindliche Markierung verfälscht wird oder gar nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde ein verbessertes Verfahren zum Markieren von Glas zu schaffen.

Die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgaben wird mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß erfolgt die Markierung eines Produkts aus Glas oder einem anderen transparenten, glasartigen Werkstoff durch eine oder mehrere lokale Verformungen der Oberfläche des Produkts. Durch die lokale Verformung oder die lokalen Verformungen wird jeweils eine Linsenwirkung realisiert.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat eine lokale Verformung eine im wesentlichen ovale Begrenzung auf der Oberfläche.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Information. über die Brennweite der Linsenwirkung der lokalen Verformung codiert. Zur Codierung kann dabei eine einzelne Brennweite einer einzelnen lokalen Verformung verwendet werden oder auch verschiedene Brennweiten derselben lokalen Verformung oder die Brennweiten verschiedener lokaler Verformungen. Ferner können auch die Abstände der einzelnen Verformungen zur Codierung einer Information verwendet werden.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine lokale Verformung zur Realisierung einer sphärischen oder Zylinderlinsenwirkung ausgebildet. Der Durchmesser bzw. die Ausdehnung senkrecht zur Zylinderachse beträgt maximal 0,5 mm, vorzugsweise kleiner als 0,3 mm. Die Veränderung des Oberflächenprofils des Glases senkrecht zur Oberfläche ist vorzugsweise kleiner als 0,1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,05 mm.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Erzeugung von der oder den lokalen Verformungen der Oberfläche während des Produktionsvorgangs des Produkts aus Glas, beispielsweise in einer Rohrziehanlage. Dadurch entfällt die Notwendigkeit für separate Bearbeitungsschritte nach der Fertigung des Glases für die Aufbringung von Markierungen.

Eine lokale Verformung der Oberfläche wird so erzeugt, dass zunächst entlang eines Ziehprozesses in einer Rohrziehanlage eine Markierposition auf der Oberfläche ausgewählt wird, wobei die Markierposition eine Glastemperatur oberhalb der Transformationstemperatur des Glases aufweist. Dann wird das Glas mit einem Laserpuls zur Aufbringung der lokalen Verformung auf der Oberfläche des Glases beaufschlagt.

Dadurch wird es ermöglicht, eine deutlich sichtbare, aber mikrorissfreie Markierung auf das Glas bereits während der Herstellung des Rohres bei hohen Temperaturen aufzubringen. Die mögliche Integration der Markierung in den Produktionsvorgang erlaubt es, die dort ohnehin vorhandenen hohen Temperaturen für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu nutzen, ohne dass diese Temperaturen jenseits der Transformationstemperatur des Glases in nachfolgenden Weiterverarbeitungsschritten erzeugt werden müssten.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass sie sich in den kontinuierlichem Produktionsprozess einfügt, ohne diesen zu verzögern oder sonst nachteilig zu beeinflussen.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Erfindung die Herstellung von spannungsarmen Markierungen auf der Oberfläche ohne die Erzeugung von Mikrorissen erlaubt, so dass die Materialeigenschaften des gefertigten Glases durch die Markierung nicht nachteilig beeinflusst werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dabei der Laserstrahl so geregelt, dass er nur kurzzeitig seine Peakleistung erreicht. Die Peakleistung wird dabei in Abhängigkeit der physikalischen Parameter des Glases – beispielsweise dessen thermischen Ausdehnungskoeffizient und Wärmleitfähigkeit – gewählt, um den Spannungseintrag in das Glas zu minimieren.

Diese rein thermische Wechselwirkung ist zur Aufbringung von sichtbaren Markierungen auf der Glasoberfläche ausreichend, da sich das zu markierende Glas oberhalb der Transformationstemperatur befindet, und das Glas daher leichter verformbar ist. Entsprechend ist auch nur eine relative geringe Laser-Leistung zur Anbringung der Markierungen erforderlich.

In einer bevorzugten Ausführungsform kommt ein gepulster quasikontinuierlicher CO2-Laserstrahl zur Anwendung. Durch verschiedene Puls-Pausen-Verhältnisse des CO2-Laserstrahls können beliebige dauerhafte Markierungen unterschiedlicher Muster – beispielsweise Punkte, Striche, Linien – auf der an dem Laser vorbeilaufenden Glasoberfläche erzeugt werden. Diese Muster werden durch die lokalen Verformungen der Glasoberfläche erzeugt.

In vorteilhafter Weise kann die Regelung für die Erzeugung des Laserstrahls mit Messgeräten gekoppelt werden. Dies erlaubt es, das Glas entsprechend der Fehler, die mit den Messgeräten zur Qualitätssicherung erkannt werden, zu markieren. Stellt ein solches Messgerät beispielsweise einen Glasfehler, z. B. Blasen oder Knoten fest, so kann das Messgerät ein entsprechendes Signal an die Regelungselektronik des Lasers abgeben. Daraufhin wird auf der Oberfläche des betreffenden Materialbereichs eine Markierung angebracht, die später im weiteren Produktionsvorgang entweder zur Kennzeichnung einer noch erforderlichen Nachbehandlung oder zur Aussonderung des entsprechenden Produkts dienen kann.

Die Pulszeiten und/oder die Peakleistungen des Laserstrahls können auch so gewählt werden, dass die Markierungen mit bloßem Auge nicht erkennbar sind, sondern nur unter dem Mikroskop, oder mittels eines Polarimeters oder eines Wellenfrontsensors feststellbar sind. Die Markierungen können auch maschinenlesbar ausgebildet sein, beispielsweise ähnlich der Form eines sogenannten Bar-Codes.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich beispielsweise unverfälschbare Markierungen auf dem Glas zur Bekämpfung der Produktpiraterie anbringen. Ebenso lassen sich Marken, Firmenlogos oder sonstige Produktausstattung durch das erfindungsgemäße Verfahren unverfälschbar auf der Glasoberfläche aufbringen, ohne dass dies die Materialeigenschaften des Glases nachteilig beeinflussen würde und bei voller Integration der Anbringung der Markierung in die Produktfertigung.

Da das Verfahren berührungslos arbeitet, kann die entsprechende Vorrichtung von dem sonstigen Produktionsprozess gekapselt aufgebaut sein. Dies hat den weiteren Vorteil der Wartungsarmut und des einfachen, mobil zu gestaltenden Aufbaus der Markiereinheit.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Lesen einer in dem Produkt codierten Information durch ein optisches System, welches die Abstände der einzelnen Verformungen auf der Oberfläche und/oder die Brennweiten der lokalen Verformungen misst. Durch Decodierung dieser Messwerte erhält man dann die Nutzinformation.

Ein weiterer besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass zur Markierung kein Auftrag von Fremdmaterial erforderlich ist. Ferner lassen sich die lokalen Verformungen so erzeugen, dass in dem Glas keine Mikrorisse entstehen und auch keine Festigkeitsminderung oder die Einbringung von mechanischen Spannungen erfolgt. Dadurch wird auch die Erzeugung von Splittern oder Chips durch das Wachstum von Mikrorissen verhindert.

Die Markierung erfolgt also vorzugsweise ohne eine Änderung der Glasstruktur oder der chemischen Eigenschaften des Glases. Je nach der Intensität der Markierung ist diese entweder visuell sichtbar oder nur in optischen Inspektionssystemen. Ferner kann die Markierung bei Bedarf zerstörungsfrei auch wieder entfernt werden, zum Beispiel in einem Umformprozess oder durch Feuerpolitur. Ein für die Entfernung einer solchen Markierung geeignetes Verfahren ist z.B. aus DE 41 32 817 bekannt. Hierbei wird ein Teil der Oberfläche punktuell und sukzessiv mit der Energie wenigstens eines Lasers oder dgl. punktuell wirkenden Energiequelle zum partiellen Schmelzen des Glases an der Oberfläche beaufschlagt.

Beispielsweise werden bei einem Rohrziehprozess die erfindungsgemässen Markierungen angebracht. Die in dem Rohrziehprozess hergestellten Rohre werden danach zu Glasbehältern verarbeitet. Dabei werden die Markierungen zunächst gelesen und dann ganz oder teilweise bei der Herstellung der Glasbehälter wieder entfernt.

Besonders vorteilhaft ist ferner der Einsatz eines erfindungsgemäßen Produkts in einem Verfahren zur Inspektion einer Eigenschaft einer in dem Produkt befindlichen Substanz, wie zum Beispiel einer Flüssigkeit. Hierzu wird eine Beleuchtung mit diffusem Licht gewählt, die die Linsenwirkung der Verformungen reduziert. Bei einer solchen Beleuchtung erfolgt die Inspektion der in dem Produkt befindlichen Substanz mit einem optischen Inspektionssystem, um eine Eigenschaft der Substanz zu überprüfen. Bei dieser Eigenschaft kann es sich zum Beispiel um die Anzahl von Schwebeteilchen pro Volumeneinheit in einer Flüssigkeit oder dergleichen handeln.

Aufgrund der Linsenwirkung der lokalen Verformungen wird also die Markierung des Produkts je nach der gewählten Beleuchtung entweder besonders sichtbar gemacht, insbesondere bei parallel einfallenden Lichtstrahlen, oder unterdrückt, wenn zum Beispiel diffuses Licht gewählt wird.

Im weiteren werden die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer lokalen Verformung auf der Oberfläche eines Produkts aus Glas,

2 eine Aufnahme einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten lokalen Verformung zur Aufbringung einer Markierung auf der Oberfläche des Glases,

3 eine Prinzipdarstellung der Form des Laserpulses zur Erzeugung einer lokalen Verformung auf der Glasoberfläche,

4 eine schematische Darstellung verschiedener lokaler Verformungen auf der Glasoberfläche zur Codierung einer Information,

5 eine Prinzipdarstellung des Puls-Pausen-Verhältnisses des quasi kontinuierlichen Laserstrahls, der bei einer Rohrziehanlage zur Aufbringung von lokalen Verformungen zur Anwendung kommt,

6 eine Rohrziehanlage zur Aufbringung von lokalen Verformungen auf die Glasoberfläche,

7 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Inspektion einer Eigenschaft,

8 eine Markierung mit kreisförmigen lokalen Verformungen, und

9 eine einzelne kreisförmige Verformung.

Die 1 zeigt die Oberfläche 100 eines Glasprodukts. Auf der Oberfläche 100 befindet sich eine lokale Verformung 102, die auf der Oberfläche 100 eine ovale Begrenzung 104 hat.

Die ovale Begrenzung 104 hat die beiden geometrischen Achsen 106 und 108. Die Ausdehnung 110 der lokalen Verformung 102 entlang der geometrischen Achse 108 beträgt vorzugsweise maximal 0,5 mm, insbesondere weniger als 0,3 mm.

Die 1 zeigt ferner eine Schnittansicht der Oberfläche 100 entlang der geometrischen Achse 108. Die Schnittansicht zeigt, dass die lokale Verformung 102 eine Linsenform 112 mit einer bestimmten Brennweite entlang der Achse 108 aufweist.

Ferner zeigt die 1 einen Schnitt entlang der geometrischen Achse 106. In dieser Schnittrichtung hat die lokale Verformung 102 eine Linsenform 114 mit einer größeren Brennweite.

Vorzugsweise ist die maximale Tiefe 116 der lokalen Verformung 102 kleiner als 0,1 mm, vorzugsweise kleiner 0,05 mm. Die Länge der lokalen Verformung 102 entlang der geometrischen Achse 106 kann beliebig gewählt werden.

Durch die Linsenwirkung der lokalen Verformung 102 wird die hierdurch erzeugte Markierung je nach der gewählten Beleuchtung mehr oder weniger sichtbar. Wenn das einfallende Licht im wesentlichen einen parallelen Strahlengang hat, so wird die Linsenwirkung am augenfälligsten. Kommt dagegen diffuses Licht zum Einsatz, so wird die Linsenwirkung mehr oder weniger vollständig unterdrückt.

Ferner ist es möglich, die Brennweiten der Linsenformen 112 und 114 mit einem optischen System zu messen. Vorzugsweise ist dabei durch die Wahl der Brennweiten eine Information codiert, die durch Decodierung der gemessenen Brennweiten wieder erhalten werden kann.

Die lokale Verformung 102 wird auf die Oberfläche 100 aufgebracht, indem das Glas auf eine Temperatur oberhalb seiner Transformafionstemperatur gebracht wird und dann ein gepulster Laserstrahl auf die Oberfläche 100 gerichtet wird. Durch das Auftreffen des Laserpulses auf die Oberfläche 100 resultiert die lokale Verformung 102.

Vorzugsweise erfolgt dies in einer Rohrziehanlage, wobei durch die Relativgeschwindigkeit des Glasstrangs in der Rohrziehanlage zu dem Laser die Länge der Ausdehnung der lokalen Verformung 102 längs der geometrischen Achse 106 bestimmt wird, wenn die Bewegung in der Rohrziehanlage im wesentlichen in Richtung der durch die geometrischen Achse 106 gegebenen Vorzugsrichtung erfolgt. Dies wird im weiteren noch näher erläutert.

Die 2 zeigt eine einzelne Markierung des Typs der lokalen Verformung 102 der 1 in vergrößerter Darstellung. Diese Markierung ist mittels eines Laserpulses auf der Glasoberfläche erzeugt worden.

Zunächst wird dazu das zu markierende Glas auf eine Temperatur gebracht, die oberhalb der Transformationstemperatur des Glases liegt. Je nach Glastyp ist dazu eine Temperatur von ca. 500–600 C° erforderlich. Bei einer Integration des Markierungsverfahrens in die Glasproduktion wird die entsprechende Laser-Markierungsvorrichtung an einer Stelle des vorbeilaufenden Glasstrangs platziert, an der die erforderliche Markiertemperatur größer als die Transformationstemperatur des Glases vorhanden ist.

Nach oben ist die Temperatur der zu markierenden Glasoberfläche dahingehend beschränkt, dass mit der zur Verfügung stehenden Laserleistung keine Wechselwirkung mehr mit dem Glas derart erfolgt, dass eine noch sichtbare Markierung resultiert.

Die Wechselwirkung des auftreffenden Laserpulses mit der Glasoberfläche ist dabei rein thermisch, ohne dass es dabei zu einer physikalischen oder chemischen Veränderung des Glasmaterials kommt. Insbesondere wird dadurch die Ionisation des Glasmaterials sowie die Bildung von Mikrorissen oder dergleichen im Wesentlichen verhindert.

Die in der 2 gezeigte Markierung weist eine Länge von 1,3 mm auf. Die ovale Form der Markierung wird dadurch erreicht, dass das zu markierende Glas relativ zu der Laserquelle eine Bewegung ausführt, so dass die Länge des Ovals durch die Bewegungsgeschwindigkeit und die Länge des Laserpulses gegeben ist.

Den zeitlichen Verlauf des entsprechenden Laserpulses zeigt die 3. Der Laserpuls hat eine Anstiegszeit von tan. Nach der Anstiegszeit erreicht die Laserleistung ihr Maximum, dass in der 2 als Ppeak gekennzeichnet ist. Unmittelbar nach Erreichung der maximalen Laserleistung fällt diese in der Abfallszeit tab wieder auf 0 ab.

Die maximale Leistung Ppeak wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass es außer zu einer thermischen zu keiner weiteren Beeinflussung der zu bearbeitenden Oberfläche und des Produkts kommt. Die Wahl der maximalen Leistung Ppeak erfolgt daher in Abhängigkeit der physikalischen Parameter des zu markierenden Glases, dass heißt in Abhängigkeit von dessen thermischen Ausdehnungskoeffizient und dessen Wärmeleitfähigkeit. Auch die chemischen Charakteristika des Glases können dabei berücksichtigt werden.

Die Anstiegszeit tan wird dabei in vorteilhafter Weise als die minimale Zeit gewählt, die zur Erreichung der maximalen Leistung Ppeak erforderlich ist. Diese minimale Zeit ist durch den verwendeten Laser geräteabhängig gegeben. Die Wahl der Laserparameter (Pulsweite, Pulspause) hängt von der Art der gewünschten Markierung, beispielsweise der Strichlänge, ab.

Gleich nach Erreichung der maximalen Leistung Ppeak wird die Zuführung von Energie zu dem Laser wieder unterbrochen, so dass in der dann ebenfalls geräteabhängigen Abfallszeit tab die Ausgangsleistung des Laserpulses wieder auf 0 zurückfällt. Bei Verwendung eines CO2 Lasersystems können die Anstiegs- und Abfallzeiten jeweils 50 bis 60 &mgr;s betragen, woraus sich eine Pulsweite tpuls von ca. 100 bis 120 &mgr;s ergibt. Es können jedoch auch längere Pulszeiten von z. B. tpuls = 300 &mgr;s oder länger gewählt werden.

Durch mehrere aufeinanderfolgende und überlappende Laserpulse kann auch ein kontinuierlicher Kennstreifen auf der Oberfläche erzeugt werden. Dieser Kennstreifen kann eine im wesentlichen konstante Tiefe aufweisen. Alternativ kann die Tiefe durch die zeitliche Abfolge der Laserpulse moduliert werden, um eine Information in dem Kennstreifen zu speichern. Durch Messung des Tiefenverlaufs entlang des Kennstreifens und Demodulation kann dann die Information zurückgewonnen werden.

Die 4 zeigt schematisch ein Produkt aus Glas. Dieses hat eine Oberfläche 400 mit lokalen Verformungen 402, 404, 406 und 408.

Die lokale Verformung 402 hat eine kreisförmige Begrenzung 410 auf der Oberfläche 400. Die kreisförmige Begrenzung 410 hat einen Durchmesser 412. Die lokale Verformung 404 hat ebenfalls eine kreisförmige Begrenzung 414 mit einem Durchmesser 416. Die lokale Verformung 406 hat eine kreisförmige Begrenzung 418 mit einem Durchmesser 420. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser 420 im wesentlichen identisch mit dem Durchmesser 412.

Die lokale Verformung 408 entspricht der lokalen Verformung 102 des Ausführungsbeispiels der 1. Die lokale Verformung 408 hat eine ovale Begrenzung 424, entsprechend der ovalen Begrenzung 104 der 1.

Die lokalen Verformungen 402 bis 408 auf der Oberfläche 400 sind entlang einer Vorzugsrichtung 426 angeordnet. Diese Vorzugsrichtung 426 wird durch die Relativbewegung der Oberfläche 400 zu dem Laser vorgegeben.

Die 4 zeigt ferner einen Schnitt entlang der Vorzugsrichtung 426. Wie in dem Schnitt verdeutlicht, hat die lokale Vertiefung 402 eine Linsenform 428, die lokale Vertiefung 404 eine Linsenform 430, die lokale Vertiefung 406 eine Linsenform 432 und die lokale Vertiefung 408 eine Linsenform 434.

Durch die Linsenform 428 wird eine bestimmte Brennweite der lokalen Vertiefung 402 definiert. Die Linsenform 432 ist im wesentlichen identisch zu der Linsenform 428, so dass im wesentlichen dieselbe Brennweite resultiert.

Die Linsenform 430 hat dagegen eine deutlich geringere Krümmung und damit eine größere Brennweite. Die lokale Verformung 408 hat zwei unterschiedliche Brennweiten, und zwar die durch die Linsenform 434 bestimmte Brennweite und eine weitere durch die Kontur der lokalen Verformung 408 senkrecht dazu gegebene Linsenform (vgl. Linsenform 112 der 1).

Die lokale Verformung 402 ist von der lokalen Verformung 404 um einen Abstand 436 beabstandet; zwischen den lokalen Verformungen 404 und 406 besteht der Abstand 438 und zwischen den lokalen Verformungen 406 und 408 der Abstand 440.

Durch geeignete Wahl der Abstände 436, 438 und 440 sowie der Brennweiten der lokalen Verformungen 402 bis 408 lässt sich Information in der Oberfläche 400 in codierter oder uncodierter Form hinterlegen.

Zur codierten Hinterlegung der Information wird dieser in einem geeigneten Codierungsverfahren eine gewisse Brennweiten-Abstands- oder Brennweitenkombination oder auch nur eine bestimmte Brennweite zugeordnet. Danach erfolgt die Beaufschlagung der Oberfläche 400 mit einem entsprechend gesteuerten, gepulsten Laser zur Erzeugung der entsprechenden lokalen Verformungen auf der Oberfläche 400.

Die 5 zeigt schematisch eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs der abgegebenen Laserpulse, wenn sich die Oberfläche 400 an einem Laserkopf mit einer bestimmten Ziehgeschwindigkeit vorbeibewegt. Die Laserpulse entsprechen ihrer Form nach jeweils dem Laserpuls der 3. Durch Variation der Pulsweiten tpuls lassen sich die unterschiedlichen lokalen Verformungen auf der Oberfläche mit unterschiedlichen Begrenzungskonturen erzeugen. Dagegen wird durch die Dauer der Pulspausen tpause der Abstand der auf der Oberfläche erzeugten lokalen Verformungen bestimmt. Ferner wird die Markierung auf der Oberfläche durch die Einstellung der Laser-Optik bestimmt.

Die 6 zeigt eine Anlage zur kontinuierlichen Herstellung von Glas, beispielsweise von Glasrohr, in einer Rohrziehanlage. Dabei kann beispielsweise das Danner-Verfahren zur Anwendung kommen, welches an sich aus der U.S. 1 218 59 A bekannt ist. Ferner können auch das Vello-Verfahren und das A-Zug-Verfahren (DE-AS 1025 581) oder ein anderes Glasziehverfahren zur Anwendung kommen.

In der Rohrziehanlage wird das Glasmaterial 1 mit einer bestimmten Geschwindigkeit im Wesentlichen translatorisch in Richtung des Pfeils 2 bewegt. Die Ziehgeschwindigkeit beträgt dabei unter 6 m/s, vorzugsweise ca. 4 m/s.

Der aus dem Glasmaterial 1 bestehende Glasrohrzug passiert in der Rohrziehanlage der 3 zunächst die Messgeräte 3. Die Messgeräte 3 dienen zur Untersuchung von einer oder mehrerer Materialeigenschaften des Glasmaterials 1, beispielsweise die Prüfung hinsichtlich Blasen, Knoten oder anderer Materialunregelmäßigkeiten, Fehler oder sonstiger Eigenschaften. Die Messgeräte können vorteilhafter Weise auch ungefähr in Höhe der mit 400 °C bezeichneten Stelle entlang des Glasstrangs angeordnet sein. Soll die Lasermarkierung zur Fehlermarkierung benutzt werden, so muss in diesem Fall der Laserstandort in Ziehrichtung nach den Messgeräten gewählt werden.

Wird eine bestimmte Prüfbedingung nicht erfüllt, so geben die Messgeräte 3 ein entsprechendes Signal ab, welches über eine Leitung 4 zu einer Ansteuerung 5 eines Lasers 6 übertragen wird.

Der Laser 6 besteht neben der Ansteuerung 5 aus einem CO2-Laserkopf 7 sowie einem entsprechendem Kühler 8 und einem Hochfrequenznetzteil 9. Der Laserkopf 7 erzeugt bei einer entsprechenden Ansteuerung durch die Ansteuerung 5 einen CO2-Laserpuls, der über eine Fokussieroptik 10 auf das Glasmaterial 1 gerichtet wird.

Die Fokussieroptik 10 weist an ihrer dem Glasmaterial 1 zugewandten Seite eine in der 3 nicht im Detail dargestellte Optikspülung 11 auf. Die Temperatur beträgt in dem Bereich, wo der Laserstrahl des Laserkopfes 7 auf das Glasmaterial 1 auftrifft in dem betrachteten Beispiel ca. 600 °C, liegt also oberhalb der Transformationstemperatur des Glasmaterials 1.

In den darauffolgenden Abschnitten der Rohrziehanlage fällt die Temperatur des Glasmaterials 1 kontinuierlich auf 400 °C bzw. auf 200 °C ab. Am hinteren Ende der Rohrziehanlage befindet sich eine Ziehmaschine 12, die das Glasmaterial 1 in die gewünschte translatorische Bewegung versetzt. Hinter der Ziehmaschine 12 wird das gezogene Glasmaterial in Rohre 13 unterteilt, die erforderlichenfalls einer Nachverarbeitung 14 unterzogen werden.

Der Laserkopf 7 wird durch die Ansteuerung 5 des Lasers 6 so geregelt, dass das vorbeilaufende Glasmaterial 1 des Rohrzuges mit Laserpulsen beaufschlagt wird, die im Wesentlichen nur zu einer thermischen Beeinflussung der Oberfläche des Glasmaterials 1 führen, wie oben mit Bezug auf die 1 und 2 erläutert. Die genaue Position für die Anbringung einer Markierung wird durch die Fokussieroptik 10 bestimmt.

In dem betrachteten Ausführungsbeispiels der 3 befindet sich die Fokussieroptik 10 in ca. 63,5 mm Arbeitsabstand von der Oberfläche des Glasmaterials 1. Etwaige Abweichungen vom idealen Fokus durch Rohrzugschwankungen von beispielsweise + 1 mm können durch den Tiefeschärfenbereich der Strahlung vernachlässigt werden.

Die Optikspülung 11 sorgt für die Spülung der Fokussierlinse der Fokussieroptik 10 mit einem gerichteten Gasstrom, &mgr;m die Fokussierlinse beispielsweise vor Glasstaub oder dergleichen zu schützen.

Beispielsweise können die Laserparameter der Ansteuerung 5 so eingestellt werden, dass die Pulsweite tpuls (vgl. 2) 60 &mgr;s beträgt und die Pulsfrequenz 10 kHz. Die Peakleistung kann ca. 200 W betragen, was einer Durchschnittsleistung von ca. 120 W entspricht. Aufgrund der Ziehgeschwindigkeit von ca. 4 m/s ergibt sich dadurch eine Markierung mittels Strichen, mit einer Strichabmessung von ca. 0,25 × 0,1 mm, wobei die Striche jeweils um ca. 0,4 mm auf der Oberfläche des Glasmaterials 1 beabstandet sind.

Die so erzeugten Markierungen sind ohne Hilfsmittel auf dem Endprodukt Glasrohr 13 sowie auch auf Nachverarbeitungsprodukten, z. B. Ampullen, mit dem bloßem Auge erkennbar. Es werden keine Aufwölbungen nach außen an der Glasoberfläche und keine negativen Spannungen oder gar Mikrorisse induziert. Dies lässt sich beispielsweise durch eine Wärmebehandlung der Ampullen (Kühlofen) und Thermoschocks verifizieren, in denen die entsprechenden Produkte keine Unterschiede im Vergleich zu unmarkierten Produkten aufweisen.

Durch eine entsprechende Ausbildung der Fokussieroptik 10 lassen sich jedoch auch beliebige Markierungsmuster auf der Glasoberfläche erzeugen. Dabei kann es sich beispielsweise um dekorative Muster, Marken, Logos, Produktausstattungen oder sonstige Kennzeichnungen, beispielsweise für die Produktionsüberwachung handeln. Insbesondere lassen sich so auch Markierungen auf die Rohre aufbringen, wie z.B. Eichstriche oder sonstige Markierungen für Füllstände. Vorteilhaft für die Aufbringung von Eichstrichen ist, wenn die Rohre bei der Fertigung rotieren.

Die Laser-Optik kann auch einen Strahlteiler zum gleichzeitigen Aufbringen von zwei oder mehreren Pulsen aufweisen und/oder eine diffraktive Optik zur Erzeugung beliebiger Muster.

Ferner ist es auch möglich, den Laser 6 und/oder die Fokussieroptik 10 relativ zu der Rohrzuganlage parallel zu dem Rohrzug beweglich anzuordnen, so dass der Laserstrahl über eine gewisse Strecke parallel zu dem Glasmaterial 1 in Richtung des Pfeils 2 mitlaufen kann, um beispielsweise komplexere Muster auf der Oberfläche des Glasmaterials 1 aufzubringen. Dadurch ist eine Mitfahrbewegung der Optik mit der Ziehgeschwindigkeit simultan zur Rohrzugbewegung ermöglicht. Alternativ kann auch eine Scanvorrichtung eingesetzt werden. Nach Beendigung der entsprechenden Markierung wird der Laser 6 und/oder die Fokussieroptik 10 wieder in die Ausgangsposition zurück gefahren, um einen erneuten Markierungsschritt vorzubereiten.

Alternativ oder zusätzlich wird die Ansteuerung 5 von einer Codiereinheit 16 angesteuert. Hierzu werden zunächst zu codierende Informationen in die Eingabeeinheit 15 eingegeben. Bei der Eingabeeinheit 15 kann es sich zum Beispiel um einen Personal Computer handeln. Auch die Codiereinheit 16 kann durch den Personal Computer, das heißt, ein entsprechendes Computerprogramm, realisiert werden.

Durch die Codiereinheit 16 werden die zu codierenden Informationen in Brennweiten und/oder Abständen von aufeinander folgenden lokalen Verformungen codiert. Diese entsprechen wiederum einer bestimmten Abfolge von Pulsweiten tpuls und Pulspausen tpause zur Herstellung entsprechender lokaler Verformungen auf der Glasoberfläche.

Die 7 veranschaulicht eine Anwendung eines erfindungsgemäßen Produkts. In dem Schritt 700 erfolgt die Herstellung des Produkts in einem erfindungsgemäßen Verfahren, beispielsweise in einer Rohziehanlage, wie mit Bezugnahme auf die 6 oben erläutert. Bei dem Produktionsvorgang wird codierte Information in das Glasprodukt in der Form von lokalen Verformungen eingebracht. Bei der Information kann es sich beispielsweise um eine Produktinformation handeln.

In dem Schritt 702 erfolgt anwenderseitig das Einfüllen einer Flüssigkeit in das Glasprodukt. Bei der Flüssigkeit kann es sich beispielsweise um ein Medikament handeln.

Zur Überprüfung einer Eigenschaft der Flüssigkeit wird in dem Schritt 704 diffuses Licht eingeschaltet, um die Linsenwirkung der lokalen Verformungen auf der Oberfläche des Glasprodukts zu unterdrücken.

In dem Schritt 706 erfolgt die Prüfung der Eigenschaft der Flüssigkeit mit einem optischen Inspektionssystem. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Arbeitsweise des optischen Inspektionssystems durch die lokalen Verformungen auf der Glasoberfläche nicht beeinträchtigt wird.

Andererseits können die codierten Informationen in dem Schritt 708 durch den Anwender von dem Glasprodukt gelesen werden. Hierzu werden die Abstände und/oder die Brennweiten der lokalen Verformungen auf der Oberfläche des Glasprodukts messtechnisch erfasst. Diese Messwerte werden in dem Schritt 710 decodiert und die decodierte Nutzinformation wird ausgegeben. Für die Decodierung und die Ausgabe der Information kann ein entsprechend programmierter Personal Computer verwendet werden.

Die 8 zeigt eine Oberfläche 800 eines Glaserzeugnisses mit lokalen Verformungen 802, die um 2,13 mm voneinander beabstandet sind. Die lokalen Verformungen 802 haben eine im wesentlichen kreisförmige Begrenzung und daher jeweils die Wirkung einer sphärischen Linse.

In dem hier betrachteten Ausführungsbeispiel sind die lokalen Verformungen 802 mit einem CO2 Laser einer Leistung von 30 Watt, 250 K Coherent, aufgebracht worden. Die Geschwindigkeit des Glasstrangs in der Rohrziehanlage betrug 2,47 m/s. Die Beaufschlagung der Oberfläche 800 mit den Laserpulsen erfolgte bei einer Temperatur von T = 510°C.

Die 9 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer einzelnen lokalen Verformung 802. Die lokale Verformung 802 hat einen Durchmesser von ca. 0,4 mm.

01Glasmaterial 02Ziehrichtung 03Messgeräte 04Leitung 05Ansteuerung 06Laser 07Laserkopf 08Kühler 09HF-Netzteil 10Fokussieroptik 11Optikspülung 12Ziehmaschine 13Rohre 14Nachverarbeitung 15Eingabeeinheit 16Codiereinheit 100Oberfläche 102lokale Verformung 104ovale Begrenzung 106geometrische Achse 108geometrische Achse 110Ausdehnung 112Linsenform (Brennweite) 114Linsenform (größere Brennweite) 116Tiefe 400Oberfläche 402lokale Verformung 404lokale Verformung 406lokale Verformung 408lokale Verformung 410kreisförmige Begrenzung 412Durchmesser 414Kreisförmige Begrenzung 416Durchmesser 418Kreisförmige Begrenzung 420Durchmesser 424ovale Begrenzung 426Vorzugsrichtung 428Linsenform 430Linsenform 432Linsenform 434Linsenform 436Abstand 438Abstand 440Abstand 800Oberfläche 802lokale Verformung

Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Markieren von Glas mit folgenden Schritten:

    a) Auswahl einer Markierposition entlang eines Ziehprozesses, die eine Glastemperatur oberhalb der Transformationstemperatur aufweist,

    b) Beaufschlagung des Glases mit mehreren Laserpulsen zur Aufbringung zumindest einer lokalen Verformung auf einer Oberfläche des Glases, wobei die lokale Verformung durch die Abfolge der Laserpulse als kontinuierlicher Kennstreifen ausgebildet wird, in dessen Tiefenverlauf eine Information aufmoduliert ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verformung zumindest eine erste Brennweite aufweist, und die Information über die Wahl der zumindest ersten Brennweite codiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Verformung eine zweite Brennweite aufweist, und über die Wahl der ersten und zweiten Brennweiten die Information codiert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei mehrere lokale Verformungen auf die Oberfläche des Glases aufgebracht werden und über die Abstände der Verformungen die Information codiert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest eine erste lokale Verformung, die erste und zweite Brennweiten aufweist und eine zweite lokale Verformung, die eine dritte Brennweite aufweist, und die von der ersten Verformung um einen Abstand beanstandet ist, auf die Oberfläche des Glases aufgebracht werden, wobei durch die Wahl der ersten, zweiten und dritten Brennweiten sowie durch die Wahl des Abstands eine Information codiert wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die zeitliche Abfolge der Laserpulse so gewählt wird, dass eine Ausdehnung der Verformung senkrecht zu einer Vorzugsrichtung höchstens 0,5 mm beträgt, vorzugsweise höchstens 0,3 mm.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die zeitliche Abfolge der Laserpulse so gewählt wird, dass eine maximale Tiefe der Verformung höchstens 0,1 mm beträgt, vorzugsweise höchstens 0,05 mm.
Es folgen 9 Blatt Zeichnungen






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