Procedimiento y dispositivo para estructurar una superficie de cuerpo sólido con un revestimiento duro con un primer láser con pulsos en el campo de nanosegundos y un segundo láser con pulsos en el campo de pico- o femtosegundos; lámina de embalaje.

Procedimiento de estructuración de por lo menos una zona de una superficie de un cuerpo sólido provista de un revestimiento de material duro mediante un láser

(1, 15) que puede producir una estructura de ondulación, caracterizado por que mediante un primer láser (1) que presenta unas duraciones de pulso en el intervalo de nanosegundos, se produce una primera estructura sobre la que se superpone una segunda estructura en forma de ondulación mediante un segundo láser (15) que presenta unas duraciones de pulso en el intervalo de pico- o femtosegundos.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/CH2010/000074.

Solicitante: BOEGLI-GRAVURES S.A..

Nacionalidad solicitante: Suiza.

Dirección: Rue de la Gare 24-26 2074 Marin SUIZA.

Inventor/es: BOEGLI, CHARLES, WEISSMANTEL,STEFFEN, REISSE,GÜNTER, ENGEL,ANDY, BOETTCHER,RENE, STEFFEN,WERNER.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > ENCUADERNACION; ALBUMES; CLASIFICADORES; IMPRESOS... > LIBROS; CUBIERTAS DE LIBROS; HOJAS SUELTAS; IMPRESOS... > B42D15/00 (Cartas o impresos de un formato o de un tipo especial no previstos en otro lugar)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > FABRICACION DE ARTICULOS DE PAPEL O CARTON; TRABAJO... > TRABAJO O DEFORMACION MECANICA DEL PAPEL O DEL CARTON... > Deformación mecánica del papel o del cartón sin... > B31F1/07 (Estampado (ondulación B31F 1/20))
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > MAQUINAS-HERRAMIENTAS; TRABAJO DE METALES NO PREVISTO... > SOLDADURA SIN FUSION O DESOLDEO; SOLDADURA; REVESTIMIENTO... > B23K26/00 (Trabajo por rayos láser, p. ej. soldadura, corte o taladrado)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > TRABAJO MECANICO DE LOS METALES SIN ARRANQUE SUSTANCIAL... > TRABAJO MECANICO O TRATAMIENTO DE CHAPAS, TUBOS,... > Conformación sin cortado, por estampado, repujado... > B21D22/02 (Estampado que utiliza dispositivos o herramientas rígidas)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > MAQUINAS-HERRAMIENTAS; TRABAJO DE METALES NO PREVISTO... > SOLDADURA SIN FUSION O DESOLDEO; SOLDADURA; REVESTIMIENTO... > Trabajo por rayos láser, p. ej. soldadura, corte... > B23K26/40 (tomando en consideración las propiedades del material involucrado)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > MAQUINAS-HERRAMIENTAS; TRABAJO DE METALES NO PREVISTO... > SOLDADURA SIN FUSION O DESOLDEO; SOLDADURA; REVESTIMIENTO... > Trabajo por rayos láser, p. ej. soldadura, corte... > B23K26/06 (Determinación de la configuración del haz de rayos, p. ej. con ayuda de máscaras o de focos múltiples)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > IMPRENTA; MAQUINAS COMPONEDORAS DE LINEAS; MAQUINAS... > PROCESOS DE IMPRESION, DE REPRODUCCION, DE MARCADO... > Procesos de reproducción o de marcado; Materiales... > B41M5/24 (Registro por ablación, p. ej. por quemado de marcas; Registro por chispa)

PDF original: ES-2534982_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Procedimiento y dispositivo para estructurar una superficie de cuerpo sólido con un revestimiento duro con un primer láser con pulsos en el campo de nanosegundos y un segundo láser con pulsos en el campo de pico- o femtosegundos; lámina de embalaje.

La presente invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para estructurar por lo menos una zona de la superficie de un cuerpo sólido revestido con un material duro, con un dispositivo que comprende por lo menos un láser con duraciones de pulso del orden de los nanosegundos, los picosegundos o los femtosegundos. Más particularmente, la superficie mecanizada puede ser la superficie de una herramienta de estampación, tal como un rodillo de estampación o una matriz de estampación, cuya estructura de superficie se transfiere a un medio, tal como una lámina de embalaje o similar, o puede ser la superficie de una pieza de joyería, tal como una parte de una caja de reloj. En adelante, el término "láser" se refiere a todo el sistema láser.

En la técnica se conocen un procedimiento y un dispositivo de este tipo, por ejemplo, a partir del documento WO 27/12215, del solicitante de la presente invención. Esta solicitud PCT da a conocer la creación mediante un láser de femtosegundos de unas así denominadas ondulaciones en una pieza, la cual puede estar provista de una capa de material duro consistente en carbono amorfo superduro con una fracción de más del 5% de enlaces sp3 de tipo diamante, lo que se conoce con la denominación ta-C, de carburo de tungsteno, WC, carburo de boro, B4C, carburo de silicio, SiC, o materiales duros similares. Tal como se desprende de diferentes documentos disponibles en Internet, las películas de carbono amorfo superduro, o ta-C, son muy adecuadas para diversas aplicaciones, más particularmente para aplicaciones tribológicas, aunque también para aplicaciones de difracción óptica.

Además de la aplicación de dispositivos láser con duraciones de pulso del orden de los femtosegundos y los picosegundos, también se conoce la utilización de láseres de excímeros con duraciones de pulso del orden de los nanosegundos y longitudes de onda en el rango ultravioleta para microestructuraciones. Una microestructuración por láser de las superficies resistentes al desgaste de los cuerpos sólidos se requiere principalmente para rodillos o matrices de estampación cuando dichos rodillos o matrices de estampación están destinados, por ejemplo, a la estampación de características de autentificación antifraude o de determinados signos atractivos de difracción óptica en láminas de embalaje de cigarrillos o alimentos. Dichas láminas de embalaje están constituidas, principalmente, por una capa de papel o plástico provista de una capa de metal depositada por vapor o por pulverización catódica, o están completamente constituidas por metal, particularmente aluminio, o están completamente constituidas por papel o plástico con un tratamiento superficial que produce las características y estructuras eficaces ópticamente y para la difracción óptica.

La publicación "Surface periodic structures induced by pulsed láser irradiation of fullerlte", Applied Physics Letters, AIP, vol. 68, n° 13, páginas 1769-1771, ISSN: 3-6951, en la que se basa el preámbulo de las reivindicaciones 1, 9 y 15, da a conocer el grabado de una capa de fullerlta con pulsos de láser cortos con una anchura de nanómetros, con el que se obtiene un efecto de ondulación. Aunque este experimento demuestra la formación de ondulaciones con pulsos de láser cortos para una determinada capa de material, no menciona la producción de estructuras de ondulación en un cuerpo sólido, tal como un rodillo de estampación.

El documento US 23/62347 A1 da a conocer un procedimiento y un aparato para el desbarbado de paquetes de circuitos integrados con dos láseres, en los que se utiliza un láser de CO2 para eliminar una capa superior de rebaba y un láser YAG para eliminar la capa delgada restante.

El documento US 28/11661 A1, del mismo solicitante, da a conocer un dispositivo para el satinado y el estampado con rodillos de estampación, producido de acuerdo con la técnica anterior con estructuras relativamente gruesas.

A partir de los antecedentes de esta técnica anterior, más particularmente del documento WO 27/12215, mencionado en la introducción, el objetivo de la presente Invención consiste en mejorar el procedimiento mencionado para estructurar la superficie de un cuerpo sólido, más particularmente de un rodillo de estampación o una matriz de estampación para la estampación de características de autentificación antifraude y/o signos con un efecto ópticamente atractivo, de modo que es posible llevar a cabo una producción en serie de estas superficies para producir las características de autentificación con una resistencia al fraude aumentada, así como un mayor alcance del diseño para superficies con un efecto óptico atractivo producido por difracción de la luz. Dicho objetivo se alcanza mediante el procedimiento según la reivindicación 1, mediante el dispositivo según la reivindicación 9 y mediante la lámina de embalaje según la reivindicación 15.

En las reivindicaciones dependientes se definen otras formas de realización preferidas.

A continuación se describe la presente invención con mayor detalle haciendo referencia a los dibujos de los ejemplos de formas de realización.

La figura 1 muestra un diagrama esquemático de un dispositivo según la presente invención con dos láseres,

la figura 2 muestra la conformación de la intensidad de haz mediante una combinación de máscara y diafragma, la figura 3 muestra una zona microestructurada que presenta forma de estrella,

la figura 4 muestra un diagrama esquemático de un dispositivo intercambiador con máscara lineal y diafragma según una vista superior,

la figura 5 muestra el dispositivo intercambiador de la figura 4 según la dirección indicada por la flecha V de la

figura 4,

la figura 6 muestra el dispositivo intercambiador de la figura 4 según el plano de sección VI-VI de la figura 4,

la figura 7 muestra un diagrama esquemático de un dispositivo intercambiador de máscara rotativa y diafragma según una vista superior,

la figura 8 muestra el dispositivo intercambiador de la figura 7 según la dirección indicada por la flecha VIII de la figura 7,

la figura 9 muestra el dispositivo intercambiador de la figura 7 según el plano de sección IX-IX de la figura 7,

la figura 1 muestra un diagrama esquemático de otra forma de realización de un dispositivo intercambiador de

máscara y diafragma que presenta depósitos para máscaras y diafragmas,

la figura 11 muestra una sección a lo largo de la línea XI-XI de la figura 1,

la figura 12 muestra una sección a lo largo de la línea XII-XII de la figura 1, y

la figura 13 muestra un diagrama esquemático de un difractómetro para medir y ajustar las máscaras, diafragmas y rodillos de estampación, así como para el control de calidad en la producción de estructuraciones en un rodillo de estampación.

La figura 1 muestra un diagrama esquemático de un dispositivo según la presente invención con dos láseres para la microestructuración y nanoestructuración de rodillos de estampación recubiertos con ta-C, siendo representativo el material duro ta-C de los materiales duros en general.

El primer láser, por ejemplo un láser de excímeros de KrF con una longitud de onda de 248 nanómetros (nm), produce microestructuras en la capa de ta-C según la técnica de proyección de máscara, y el segundo láser, un láser de femtosegundos con una longitud de onda central de 775 nm, produce nanoestructuras en la capa de ta-C según la técnica de focalización.

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Reivindicaciones:

1. Procedimiento de estructuración de por lo menos una zona de una superficie de un cuerpo sólido provista de un revestimiento de material duro mediante un láser (1, 15) que puede producir una estructura de ondulación, caracterizado por que mediante un primer láser (1) que presenta unas duraciones de pulso en el intervalo de nanosegundos, se produce una primera estructura sobre la que se superpone una segunda estructura en forma de ondulación mediante un segundo láser (15) que presenta unas duraciones de pulso en el intervalo de pico- o femtosegundos.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que la primera estructura se produce según la técnica de proyección de máscara, y la segunda estructura según la técnica de focalización.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que el revestimiento de material duro consiste en ta-C, carburo de tungsteno (WC), carburo de boro (B4C), carburo de silicio (SiC) o materiales duros similares.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado por que entre una capa de material duro ta-C y el material subyacente, está prevista una capa de carburo de tungsteno que presenta un espesor entre 5 y 3 nm.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que la primera y/o la segunda estructura son producidas cada una mediante la superposición de múltiples microestructuras, formando cada una de las estructuras de superposición un ángulo (a) con las estructuras superpuestas (1) o presentando una orientación diferente.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que para producir la primera estructura mediante el primer láser (1), se utilizan una máscara (18) en el punto homogéneo (HS) del sistema óptico y a continuación un diafragma (6) delante de la óptica de formación de imágenes (8), y, para producir la segunda estructura, se utiliza un polarizador (17) entre el láser de femtosegundos (15) y la óptica de focalización (8F) asociada.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado por que están dispuestos por lo menos una máscara (18) y un diafragma (6) en un dispositivo intercambiador (28), pudiéndose ubicar cualquier máscara seleccionada y cualquier diafragma seleccionado en la trayectoria del haz del primer láser independientemente entre sí y pudiendo girar alrededor de sí mismos, así como pudiendo desplazarse lineal o rotativamente.

8. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que durante la producción de las estructuras sobre la superficie de la pieza de trabajo (9), estas estructuras se miden mediante un difractómetro (12) y los valores medidos se utilizan para ajustar la intensidad del haz y/o la óptica de formación de imágenes y de focalización.

9. Dispositivo para implementar el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que comprende un láser (1, 15) que presenta unas duraciones de pulso en el intervalo de nano- o pico- respectivamente femtosegundos y que puede producir una estructura de ondulación, caracterizado por que comprende un primer láser (1) en el intervalo de nanosegundos así como un segundo láser (15) en el intervalo de picosegundos o femtosegundos, comprendiendo el dispositivo unos medios (32, 32F) para colocar en primer lugar la superficie (9) del objeto (1) que se va a estructurar en el plano de formación de imágenes de la óptica de formación de imágenes (8) del primer haz láser (2) y a continuación en el plano focal de la óptica de focalización (8F) del segundo haz láser (2F).

1. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado por que el primer láser (1) es un láser de excímeros de KrF que presenta una longitud de onda de 248 nm, o un láser de excímeros de ArF que presenta una longitud de onda de 193 nm, o un láser de flúor que presenta una longitud de onda de 157 nm, o un láser de excímeros de XeCI que presenta una longitud de onda de 38 nm, y por que el segundo láser para producir las estructuras de ondulación es un láser de femtosegundos (15) que presenta una longitud de onda central de 775 nm o un láser de picosegundos de tipo Nd:YAG que presenta una longitud de onda de 1.64 nm o la longitud de onda de doble frecuencia de 532 nm.

11. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que entre el primer láser (1) y su óptica de formación de imágenes (8) está dispuesta por lo menos una combinación de máscara y diafragma (18, 6), y están dispuestas varias combinaciones de máscara y diafragma en un dispositivo intercambiador (28, 53, 54), y el dispositivo intercambiador está adaptado para colocar una de las máscaras (18) y uno de los diafragmas (6) en la trayectoria del haz (29) del primer láser (1) independientemente entre sí, pudiendo las máscaras (18, 18A-18E, 18/1-18/9) y los diafragmas (6, 6A-6E) desplazarse lineal o rotativamente, y pudiendo girar sobre sí mismos en los soportes (31A a 31E; 34A a 34E).

12. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado por que las máscaras (18) y los diafragmas (6) del dispositivo intercambiador (54) están colocados cada uno en una fijación (55, 56), estando esta última dispuesta en los depósitos respectivos.

13. Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado por que comprende un difractómetro (12) que presenta por lo menos una matriz de CCD (8, 8F) para medir la radiación (14, 14F) reflejada y difractada por las estructuras

producidas por el láser de excímeros y el láser de femtosegundos, respectivamente.

14. Dispositivo según la reivindicación 9, para estructurar unas zonas sobre piezas de reloj, monedas, o piezas de joyería revestidas o sin revestir para producir unas características de autentificación y/o signos efectivos de

difracción óptica.

15. Lámina de embalaje producida mediante el dispositivo según una de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizada por que presenta unas zonas efectivas de difracción óptica y/o unas características de autentificación que comprenden por lo menos una primera microestructura en forma de zanja en el intervalo de micrómetros y por lo

menos una segunda estructura superpuesta sobre la primera microestructura que presenta una estructura de ondulación efectiva de difracción óptica autoorganizada en el intervalo submicrométrico.