СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ МАРКИРОВКИ И СИСТЕМА ЛАЗЕРНОЙ МАРКИРОВКИ
LASER MARKING METHOD AND LASER MARKING SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу лазерной маркировки и системе лазерной маркировки.
Уровень техники
Существуют разные способы маркировки подложек, таких как, например, упаковочный материал, с алфавитно-цифровыми номерами или кодами, двумерными кодами, символами, текстом, изображениями и т.п. Одним из способов является использование лазерной технологии, то есть использование лазера и чувствительных к лазерному излучению чернил, покрытий или красителей. В дальнейшем такая технология называется «лазерная маркировка».
Опубликованный документ SE 0800601 описывает лазерную маркировку упаковочного материала с внутренним слоем из бумаги или картона.
Чернила или покрытие, чувствительные к лазерному излучению и далее называемые «чернила», представляют собой сочетание поглотителей лазерного излучения и цветообразующих компонентов. При воздействии лазерного излучения поглотители излучения в чернилах поглощают фотонную энергию и создают тепло, которое разогревает цветообразующие компоненты, изменяя их цвет.
Подложка, такая как упаковочный материал, может иметь участок, чувствительный к лазерному излучению, то есть участок с нанесенными чувствительными к лазерному излучению чернилами, покрытием или красителем (пигментом), и маркировочное устройство в виде лазера может выполнять печать или маркировку, уникальную для каждого участка упаковочного материала, и/или печать, которую можно немедленно изменить.
Предпочтительно, чтобы маркировщик или маркировочное устройство должны быть способны выполнять печать с очень большой скоростью и высоким разрешением. В настоящее время имеются упаковочные машины, которые пропускают полотно упаковочного материала со скоростью 1,2 метра в секунду.
На рынке имеются разные системы лазерной маркировки. Однако эти системы имеют слишком медленную скорость или слишком низкое разрешение. По-видимому, лазер с диодной матрицей является лучшим вариантом для высокоскоростной маркировки с высоким разрешением. Однако имеющиеся в настоящее время на рынке лазеры с диодной матрицей представляют собой низкоэнергетические лазеры с эффективностью порядка или ниже 0,5 ватт. Они оказались неудовлетворительными. Было установлено, что мощности было недостаточно для выполнения маркировки со скоростью выше 1 метра в секунду.
Кроме того, лазерам, за исключением лазера с диодной матрицей, необходимо оборудование, основанное на методе отраженных волн, такое как сканнер с гальванометром. Такое оборудование тоже ограничивает скорость и разрешение маркировки. В настоящее время система, включающая сканер с гальванометром, неприменима для маркировки с такой высокой скоростью, как 1,2 метра в секунду.
Сейчас на рынке нет высокоэнергетических лазеров с диодной матрицей (лазеров с эффективностью выше 0,5 ватт). Лазер с диодной матрицей может быть преобразован в высокоэнергетический лазер, но он обеспечит всего лишь низкое разрешение, так как диоды не могут быть установлены достаточно близко друг к другу на монолитной матрице. Другую проблему представляет система охлаждения такого лазера.
Сущность изобретения
Целью изобретения является создание способа лазерной маркировки подложки, имеющей участок, чувствительный к лазерному излучению, указанный участок, чувствительный к лазерному излучению, адаптирован активироваться при пороговом уровне энергии с помощью низкоэнергетического лазера. Этот способ обеспечивает возможность выполнять маркировку с высокой скоростью и высоким разрешением. Способ включает стадию активирования указанного участка, чувствительного к лазерному излучению, с помощью активирующего элемента, подвергающего действию облучения весь участок, чувствительный к лазерному излучению, и стадию облучения части указанного участка, чувствительного к облучению, указанным лазером, в котором активирующий элемент адаптирован для испускания излучения, сконцентрированного на определенной длине волны, и в котором совокупное результирующее облучение вызывает энергию, проходящую указанный ее пороговый уровень, при этом участок, чувствительный к лазерному излучению, активируется в той части, которая подвержена совокупному облучению.
Способ изобретения в дальнейшем определяется зависимыми пунктами 2-8 формулы.
Изобретение относится также к системам лазерной маркировки.
Система лазерной маркировки в дальнейшем определяется зависимыми пунктами 10-16 формулы.
Краткое описание чертежей
Пример осуществления изобретения описывается более детально в дальнейшем с помощью прилагаемых чертежей, на которых
фиг.1 показывает схематическое изображение уровней энергии согласно изобретению,
фиг.2 показывает схематическое изображение настоящего предпочтительного варианта осуществления.
Описание варианта осуществления
Как было упомянуто вначале, чувствительные к лазерному излучению чернила или покрытие, в дальнейшем именуемые «чернила», в основном представляют собой сочетание поглотителей лазерного излучения и цветообразующих компонентов. При воздействии лазерного излучения поглотители излучения в чернилах поглощают фотонную энергию и создают тепло, которое разогревает или активирует цветообразующие компоненты, изменяя их цвет.
Одни чувствительные к лазерному излучению чернила являются термочувствительными и активируются с помощью тепла, а другие являются чувствительными к длине волны излучения и активируются, будучи подвержены действию определенной длины волны. В данном описании будет использоваться термин «облучение», и подразумевается, что этот термин включает в себя как облучение в виде теплового излучения, так и облучение в виде излучения определенной длины волны в зависимости от источника облучения.
Определенное количество энергии необходимо для активации чернил, то есть заставить чернила изменить цвет. Фиг.1, иллюстрирующая основной принцип, показывает энергию, направляемую участку подложки, чувствительному к лазерному излучению. Предпочтительно, чтобы подложка включала также участок, не чувствительный к лазерному излучению, для того чтобы лазерная маркировка могла наноситься на определенный и заранее заданный участок подложки. Изменение цвета начнется на пороговом уровне, обозначенном Т. Например, установлено, что в высокоскоростной упаковочной машине, работающей со скоростью прохождения полотна упаковочного материала примерно 1,2 метра в секунду, трудно обеспечить необходимую энергию, используя современные низкоэнергетические лазеры.
В настоящем способе изобретения эта проблема решается с помощью стадии активирования участка, чувствительного к лазерному излучению, путем облучения активирующим элементом и стадии облучения лазером указанного участка, чувствительного к лазерному излучению. Совокупное облучение вызывает энергию, которая проходит свой пороговый уровень Т, при котором участок, чувствительный к лазерному излучению, активируется в той части, где происходит совокупное облучение.
В варианте осуществления, показанном на фиг.1, участок, чувствительный к лазерному излучению, предварительно активируется до уровня энергии ниже ее порогового уровня Т. Это означает, что чернила, чувствительные к лазерному излучению, «предварительно заряжается» большей частью необходимой энергии. Однако при этом будет активирован весь чувствительный участок, не только места для маркировки, поэтому предпочтительно не доводить энергию полностью до порогового уровня Т, а оставлять запас до этого уровня.
После этапа предварительной активации участок, чувствительный к лазерному излучению, может быть подвергнут облучению лазером для выполнения фактической маркировки. Таким образом, лазер обеспечит дополнительную энергию, необходимую, по крайней мере, для прохождения ее порогового уровня Т, то есть для активации участка, чувствительного к лазерному излучению. Это количество энергии представлено на фиг.1 в виде L. Эта энергия будет воздействовать только на те места участка, чувствительного к лазерному излучению, где требуется изменение цвета, то есть, где должна быть сделана маркировка. Лазер обеспечивает достаточно энергии для прохождения ее порогового уровня Т, предпочтительно достаточно для прохождения уровня со значительным запасом, чтобы убедиться в том, что изменение цвета будет иметь место и что достигнут требуемый контраст между маркировкой и основным фоном.
Энергия, поглощаемая на участке подложки, чувствительном к лазерному излучению, на этапе предварительной активации не остается в ее материале, а быстро исчезает. Поэтому предпочтительно, чтобы предварительная активация была выполнена непосредственно перед тем, как подложка будет подвергнута лазерному облучению.
2
Использование данного способа изобретения позволяет применять разные типы лазеров для создания высокой скорости и высокого разрешения маркировки. Одним из типов лазеров, который может быть использован, является лазер ближнего инфракрасного диапазона, например лазер с диодной решеткой, лазер с волоконно-диодной решеткой или волоконный лазер. Лазер с диодной решеткой, выполненной из нескольких диодов, расположенных близко друг к другу, может работать в диапазоне длины волн 650-5500 нм. Кроме того, могут использоваться СО-лазер и Nd:VAG лазер.
Согласно данному способу этап активации выполняется с помощью активирующего элемента. Активация может выполняться любым из следующих способов: например, источником инфракрасного излучения или лазером. Возможны также другие источники активации, такие, например, как горячий воздух или горячий флюид. Одним условием при выборе активирующего элемента является то, что энергия должна предпочтительно распространяться равномерно по участку, чувствительному к лазерному излучению. Другим условием является возможность контролировать количество энергии, поступающей от активирующего элемента, с тем, чтобы пороговый уровень энергии Т случайно не был превышен. В общем, активирующий элемент необходимо выбирать с учетом состава чернил, чувствительных к лазерному излучению, и структуры и чувствительности подложки, подлежащих активации. Если используются чернила, чувствительные к длине волны, то источником активации предпочтительно должен быть лазер с широким лучом или источник инфракрасного излучения.
В одном предпочтительном варианте осуществления в качестве активирующего элемента может быть использован источник инфракрасного излучения. Такой источник инфракрасного излучения может обеспечить электромагнитное излучение в узком частотном диапазоне, в котором основная часть излучаемой энергии концентрируется на пиковой длине волны. Например, серийно выпускаемый инфракрасный светодиод имеет пиковую длину волны 2,6 микрон, и энергия распределяется согласно гауссову контуру между 1,9 и 3,3 микрон. В данной области техники известны и другие источники инфракрасного излучения, которые имеют разные пиковые длины волн и разную полную ширину на половине максимума.
Инфракрасный нагрев представляет собой перенос тепловой энергии в виде электромагнитных волн. Горячий источник, например кварцевая лампа, кварцевая труба или металлический стержень, генерирует электромагнитное излучение благодаря вибрации и вращению молекул. Источник испускает излучение на пиковой длине волны в сторону объекта. Объект может поглощать излучение на определенной длине волны и отражать или повторно испускать излучение на других длинах волн. Именно поглощенное излучение создает тепло внутри объекта. Эффективность этого типа нагревателей может превышать 80%. Инфракрасный нагрев различается по эффективности, длине волны и отражающей способности. Эти характеристики отличают их и делают их более эффективными для определенных случаев применения по сравнению с другими. Эффективный диапазон длины волн для случаев инфракрасного нагрева находится в диапазоне 0,7-10 микрометров (мкм) электромагнитного спектра и делится на три группы: коротковолновой (0,72-1,5 мкм), средневолновой (1,5-5,6 мкм) и длинноволновой (5,6-10 мкм). Было установлено, что коротковолновый и средневолновый источник инфракрасного излучения может быть надлежащим образом объединен с лазером с диодной решеткой и лазером с волоконно-диодной решеткой, последний испускает излучение на длине волны в диапазоне 0,65-5,6 мкм.
Чернила, чувствительные к лазерному излучению, уже были описаны. Однако следует отметить, что лазерная чувствительность, сообщаемая участкам, чувствительным к лазерному излучению, не обязательно должна достигаться путем нанесения чернил или покрытия. Участки, чувствительные к лазерному излучению, могут достигаться путем нанесения красителей, чувствительных к лазерному излучению, на подложку. В случае упаковочного слоистого материала, имеющего сердцевину в виде бумаги или картона и наружные слои из полимера, чернила или покрытие, чувствительные к лазерному излучению, могут быть нанесены таким образом, чтобы они были защищены наружным полимерным слоем. В случае красителей они могут быть помещены, наоборот, в защитный полимерный слой упаковочного слоистого материала. Таким образом, в обоих случаях участок, чувствительный к лазерному излучению, будет защищен полимерным слоем. Такие варианты осуществления имеют дополнительные преимущества в том, что можно выбрать такой активирующий элемент, при котором пиковая излучаемая длина волны инфракрасного излучателя будет проходить через полимерный слой без поглощения в нем. Тем самым не будет вовсе или будет незначительное рассеяние тепла в полимерном слое, и основная часть испускаемой энергии будет поглощаться активным компонентом участка, чувствительного к лазерному излучению. Следовательно, может быть предпочтительным совместить пиковую длину волны активирующего элемента с длиной волны, требуемой для активации или возбуждения активного компонента чернил, чувствительных к лазерному излучению, а также для спектра пропускания защитного полимерного слоя. Этот конкретный вариант осуществления способствует общему снижению энергии, используемой для маркировки подложки.
Например, если защитный полимерный слой сделан из полиэтилена низкой плотности, такой слой имеет повышенную абсорбцию приблизительно в 3-3,5 микрон. Поэтому необходимо избегать таких длин волн при выборе необходимого оборудования, включая чернила, чувствительные к лазерному излучению. Это справедливо и в случае, если защитный слой сделан из полипропилена.
Согласно конкретному варианту осуществления предлагается способ лазерной маркировки подложки с использованием лазера 102. Подложка 103 имеет участок, чувствительный к лазерному излучению и защищенный полимерным слоем, имеющим значительный коэффициент поглощения, по крайней мере, на одной длине волны, и указанный участок, чувствительный к лазерному излучению, рассчитан для активации на пороговом уровне энергии Т. Способ включает следующие стадии:
активация указанного участка, чувствительного к лазерному излучению, с помощью активирующего элемента 101, осуществляющего облучение всего участка, чувствительного к лазерному излучению, и
облучение указанным лазером 102 части указанного участка, чувствительного к лазерному излучению,
,
в котором активирующий элемент выполнен таким образом, что испускаемое излучение сконцентрировано на определенной длине волны, указанная длина волны отличается от длины волны абсорбции защитного слоя, и в котором совокупное облучение вызывает энергию, проходящую указанный ее пороговый уровень Т при котором участок, чувствительный к лазерному излучению, активируется в той части, где происходит совокупное облучение.
Заданная длина волны излучения активирующего элемента может быть близкой или равной длине волны излучения лазера. Термин «близкая» должен толковаться в этом контексте как испускаемое излучение активирующего элемента, которое должно до некоторой степени перекрывать длину волны излучения лазера. Изобретение включает также систему лазерной маркировки для нанесения лазерной маркировки на подложку, имеющую участок, чувствительный к лазерному излучению. Эта система схематически показана на фиг.2. Система предназначена для реализации ранее описанного способа и не будет описываться детально. Обратимся к описанию способа.
Вариант осуществления системы схематически включает активирующий элемент 101 для предварительной активации участка, чувствительного к лазерному излучению, до уровня энергии ниже порогового уровня энергии Т. Кроме того, система включает лазер 102, способный обеспечить дополнительное количество энергии, необходимой, по меньшей мере, для прохождения порогового уровня энергии Т для того, чтобы активировать участок, чувствительный к лазерному излучению.
Активирующий элемент 101 и лазер 102 расположены по отношению друг к другу таким образом, что подложка 103, например полотно упаковочного материала, проходит активирующий элемент 101 непосредственно перед прохождением лазера 102. Направление движения полотна обозначено стрелкой Х.
В дальнейшем будут описаны два разных эксперимента в качестве примеров способа лазерной маркировки согласно некоторым вариантам осуществления. В обоих устройствах была использована галогенная лампа инфракрасного излучения, имеющая максимальную длину волны излучения 1000 нм в качестве активирующего элемента, и лазер, работающий на длине волны 1070 нм в системе маркировки. Были использованы два разных вида чернил, чувствительных к лазерному излучению, и оба были активированы абсорбирующим излучением 1070 нм. Активация определяется изменением цвета от прозрачного к черному. Оба эксперимента выполнялись относительно исходного измерения, при котором оптическая плотность измерялась без использования галогенной лампы инфракрасного излучения.
Пример 1
2
2
2
2
Участок размером 8 мм×7 мм подложки был покрыт чернилами А. Плотность лазерной энергии была установлена 1,4 и 2,0 Дж/см соответственно, а плотность энергии галогенной лампы инфракрасного излучения была установлена 0,79 Вт/см. Затем была измерена оптическая плотность в зависимости от времени инфракрасного излучения для разных плотностей лазерной энергии. Результаты испытаний показали, что при использовании плотности лазерной энергии 1,4 Дж/см вместе с активирующим элементом инфракрасного излучения была получена оптическая плотность 0,6. Это соответствует использованию плотности фона лазерной энергии 2,6 Дж/см, то есть снижению лазерной энергии, необходимой для маркировки, на 46%.
2
2
Кроме того, результаты испытаний показали, что при использовании плотности лазерной энергии 2,0 Дж/см вместе с активирующим элементом инфракрасного излучения была получена оптическая плотность 0,75. Это соответствует использованию плотности фона лазерной энергии 2,8 Дж/см, то есть снижению лазерной энергии, необходимой для маркировки, на 29%.
Пример 2
2
2
2
2
Участок размером 8 мм×7 мм подложки был покрыт чернилами В. Плотность лазерной энергии была установлена 0,38 и 0,6 Дж/см соответственно, а плотность энергии галогенной лампы инфракрасного излучения была установлена 0,79 Вт/см. Затем была измерена оптическая плотность в зависимости от времени инфракрасного излучения для разных плотностей лазерной энергии. Результаты испытаний показали, что при использовании плотности лазерной энергии 0,38 Дж/см вместе с активирующим элементом инфракрасного излучения была получена оптическая плотность 1,0. Это соответствует использованию плотности фона лазерной энергии 0,6 Дж/см, то есть снижению лазерной энергии, необходимой для маркировки, на 36%.
2
2
Кроме того, результаты испытаний показали, что при использовании плотности лазерной энергии 0,6 Дж/см вместе с активирующим элементом инфракрасного излучения была получена оптическая плотность 2,2. Это соответствует использованию плотности фона лазерной энергии 1,4 Дж/см, то есть снижению лазерной энергии, необходимой для маркировки, на 57%.
Несмотря на то что настоящее изобретение описано по отношению к имеющемуся предпочтительному варианту осуществления, следует понимать, что могут быть сделаны разные модификации и изменения, не выходя за пределы цели и объема изобретения, как обозначено в прилагаемой формуле изобретения.
Х
Было описано, что стадия активации активирующим элементом 101 выполняется до того, как подложка 103 будет подвержена воздействию лазера 102. Однако необходимо понимать, что стадия активации активирующим элементом 101 может быть выполнена также и после того, как подложка 103 будет подвержена воздействию лазера 102. Это может быть проиллюстрировано изменением направления стрелки  на фиг.2 на обратное, при этом подложка 103 будет перемещаться в противоположном направлении. Другим вариантом является одновременное облучение участка, чувствительного к лазерному излучению, совместно активирующим элементом 101 и лазером 102 или когда облучение каждым соответствующим источником излучения, по меньшей мере, частично перекрывает друг друга во времени. Разумеется, что система лазерной маркировки может соответствующим образом изменяться.
В варианте осуществления было описано, что подложка представляет собой полотно упаковочного материала. Конечно, она может быть любого иного вида, например в виде пакета, палеты, внешнего пакета, экономичной упаковки (включающей несколько пакетов) или иного другого вида такой продукции. В перспективе участок, чувствительный к лазерному излучению, может иметь вид наклейки или иного приемлемого вида.
Кроме того, было описано, что подложка перемещается и что маркировка выполняется в движении. Конечно, подложка может также быть неподвижной, перемещаться с медленной скоростью или продвигаться пошаговым перемещением за один раз.