Procedimiento y dispositivo para estructurar una superficie de cuerpo sólido con un revestimiento duro con un láser que utilizan máscara y diafragma.

Procedimiento de estructuración de por lo menos una zona de una superficie de un cuerpo sólido (9) provista de un revestimiento de material duro mediante un láser que presenta unas duraciones de impulso en el intervalo de nanosegundos (1) según la técnica de proyección de máscara,

caracterizado por que se forma un punto homogéneo (HS) a partir de un haz de salida del láser, utilizándose en el punto homogéneo (HS) una máscara (18) y a continuación un diafragma (6) para conformar un perfil del haz óptico, frente a una óptica de formación de imágenes (7, 8) para la formación de imágenes de luz láser sobre la superficie (9).

Procedimiento y dispositivo para estructurar una superficie de cuerpo sólido con un revestimiento duro con un láser que utilizan máscara y diafragma.

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 material duro (ver las reivindicaciones 1 y 1).

En la técnica, es conocida la utilización de láseres de excímeros con duraciones de impulso del orden de los nanosegundos y longitudes de onda en el intervalo ultravioleta para llevar a cabo 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 autenticación antifraude o de determinados signos atractivos de difracción óptica en láminas de embalaje de cigarrillos o alimentos. Dichas láminas de embalaje están realizadas, principalmente, en una capa de papel o plástico provista de una capa de metal depositada por vapor o por pulverización catódica, o están completamente realizadas en metal, mayoritariamente aluminio, o están completamente realizadas en papel o plástico, con un tratamiento superficial que produce las características y estructuras eficaces ópticamente y para difracción óptica. A este respecto, se utilizan preferentemente máscaras o diafragmas para conformar el perfil de intensidad del haz de láser.

El documento WO 27/12215, del mismo solicitante de la presente invención, da a conocer la creación de las denominadas ondulaciones mediante un láser de femtosegundos, en una pieza que 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.

La publicación "Surface periodic structures induced by pulsed láser irradiaron of fullerite", 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 y 1, da a conocer la modificación superficial de una capa de fullerita con impulsos de láser de nanosegundos.

El documento US68914 da a conocer un aparato de mecanizado por transferencia de láser, que comprende una unidad de conformación para conformar el haz de láser, de modo que dicho haz de láser tiene un patrón de haz que corresponde al patrón que se desea mecanizar en el objeto que se pretende mecanizar, y una unidad de generación dispuesta separadamente de la unidad de conformación para generar simultáneamente una pluralidad de haces láser, cada uno con el patrón de haz del haz de láser conformado por la unidad de conformación. La unidad de generación está adaptada para la emisión de los varios haces láser a la vez que define una pluralidad de direcciones de radiación de los vahos haces láser generados hacia el objeto que se debe mecanizar. El aparato de mecanizado por transferencia de láser puede proporcionar una alta eficiencia de utilización de la luz y reducir el tiempo necesario para el mecanizado. Además, el aparato de mecanizado por transferencia de láser puede utilizar un láser con una coherencia espacial relativamente baja, tal como un láser de excímeros.

El documento US2811661 da a conocer un dispositivo para el satinado y la estampación de láminas de embalaje metalizadas o sometidas a tratamiento de superficie que comprende tres rodillos de estampación, en el que dichos tres rodillos de estampación cooperan entre sí y en el que la lámina de embalaje puede pasar a presión entre el primer y el segundo rodillo de estampación, y entre el primer y el tercer rodillo de estampación, a fin de obtener un acabado satinado y un patrón. El primer rodillo de estampación, que es el rodillo motriz, tiene una matriz de dientes compuesta por dientes individuales dispuestas en una cuadrícula homogénea, y los otros dos rodillos de estampación presentan una estructura de superficie diferente de la del primer rodillo de estampación. Por lo menos, uno de los rodillos de estampación adicionales tiene elementos estructurales dispuestos individualmente o en grupos, pero no en la misma cuadrícula que en el primer rodillo, estando compuesto dicho elemento estructural por dientes individuales y estando dispuesto circularmente alrededor del rodillo de estampación. Dicha disposición proporciona una ruptura eficaz del sustrato de papel de la lámina y, por consiguiente, una superficie con propiedades mejoradas. Dicha superficie es particularmente adecuada para la estampación de sombreado y para estampar características de autenticación e Identificación.

El documento US6333485 da a conocer un procedimiento para la ruptura Inducida por láser de un material con un haz de láser pulsado, en el que el material está caracterizado por una relación entre el umbral de ruptura por fluencia (Fth) y la anchura del impulso del haz de láser (T) que muestra un cambio brusco, rápido y nítido o, por lo menos, un cambio claramente detectable y nítido de la pendiente para un valor predeterminado de anchura de impulso de láser. Dicho procedimiento comprende la generación de un haz de impulsos de láser, en la que cada impulso tiene una anchura de impulso igual o menor que el valor predeterminado de anchura de Impulso de láser. El haz se enfoca por encima de la superficie del material en el que se desea la ruptura Inducida por láser. La zona de mínima confusión (mínima cintura de haz o tamaño medio de haz) se encuentra por encima de la superficie del material en el que se desea la ruptura inducida por láser, ya que la intensidad del haz cae en dirección hacia delante; preferentemente, la

región del haz en la superficie, o dentro de la misma, se encuentra entre la región de mínima confusión y suficiente para eliminar el material, y la Intensidad mínima necesaria para la ruptura inducida por láser del material que debe eliminarse, y de la forma más preferente, la región de mínima intensidad se encuentra en la superficie del material que debe eliminarse. El haz puede utilizarse en combinación con una máscara en la trayectoria del haz. El haz o máscara se pueden desplazar en las direcciones x, y y z para producir las características deseadas. La técnica puede producir características menores que el tamaño de haz y el intervalo de Rayleigh debido a una mayor precisión en el umbral de daños en el régimen de impulso corto.

A partir de estos antecedentes, un 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 para la estampación de características de autentificación antifraude y/o signos ópticamente atractivos, de modo que es posible llevar a cabo una producción en serie de estas superficies para producir unas características de autentificación con una resistencia al fraude mejorada, asi como un mayor alcance del diseño. Dicho objetivo se alcanza mediante el procedimiento según la reivindicación 1 y mediante el dispositivo según la reivindicación 1.

Otro objetivo de la presente invención consiste en dar a conocer un procedimiento que garantice la fabricación de máscaras y diafragmas para la creación de microestructuras de alta precisión y longevidad. Dicho objetivo se alcanza mediante el procedimiento según la reivindicación 7.

Otro objetivo de la presente invención consiste en dar a conocer un procedimiento para medir y optimizar el procedimiento de fabricación. Dicho objetivo se alcanza mediante el procedimiento según la reivindicación 8 y mediante el dispositivo según la reivindicación 14. 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 las formas de realización ilustrativas.

La figura 1 representa un diagrama esquemático de un dispositivo según la presente invención con dos láseres, la figura 2 representa la conformación de la intensidad de haz mediante una combinación de máscara y diafragma, la figura 3 representa una zona microestructurada que presenta forma de estrella,

la figura 4 representa un diagrama esquemático de un... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento de estructuración de por lo menos una zona de una superficie de un cuerpo sólido (9) provista de un revestimiento de material duro mediante un láser que presenta unas duraciones de impulso en el intervalo de nanosegundos (1) según la técnica de proyección de máscara, caracterizado por que se forma un punto homogéneo (HS) a partir de un haz de salida del láser, utilizándose en el punto homogéneo (HS) una máscara (18) y a continuación un diafragma (6) para conformar un perfil del haz óptico, frente a una óptica de formación de imágenes (7, 8) para la formación de imágenes de luz láser sobre la superficie (9).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que están dispuestos por lo menos una máscara y un diafragma en un dispositivo intercambiador, pudiéndose ubicar cualquier máscara deseada y cualquier diafragma deseado en la trayectoria del haz del láser independientemente entre sí.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que la estructuración se produce mediante la superposición de múltiples microestructuras, formando cada una de las estructuras de superposición un ángulo (a) con las estructuras superpuestas.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que las máscaras y los diafragmas en el dispositivo intercambiador pueden girar sobre sí mismos, así como pueden desplazarse linealmente o de manera giratoria, y están dispuestos en unos depósitos respectivos.

5. 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, presentando preferentemente entre una capa de ta-C y el material subyacente, una capa de carburo de tungsteno que presenta un espesor entre 5 nm y 3 nm.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que la estructuración producida por el láser de nanosegundos según la técnica de proyección de máscara se superpone con una segunda estructura, en forma de ondulación, mediante un segundo láser que presenta unas duraciones de impulso en el intervalo de los pico- o femtosegundos y que funciona según la técnica de enfoque.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado por que para fabricar las máscaras o los diafragmas, se utiliza un láser de femtosegundos cuya radiación produce las superficies que son opacas al haz de láser sobre el sustrato, preferentemente una placa de cuarzo transparente, debido a una rugosidad aumentada.

8. Procedimiento según la reivindicación 1 o 6, caracterizado por que, durante la producción de las estructuras sobre la superficie de la pieza, estas estructuras se miden mediante un dlfractómetro y los valores medidos se utilizan para ajustar la intensidad del haz y/o la óptica de formación de Imágenes y de focallzaclón.

9. Procedimiento de utilización de un rodillo de estampación, en el que el rodillo de estampación se estructura en primer lugar de acuerdo con el procedimiento según la reivindicación 6, y el rodillo de estampación estructurado se aplica a continuación a una lámina de embalaje haciendo pasar la lámina de embalaje entre el rodillo de estampación estructurado y un contrarrodillo.

1. Dispositivo para poner en práctica el procedimiento según la reivindicación 1, que comprende un primer láser (1) para producir impulsos que presenta una duración de Impulso en el Intervalo de nanosegundos y una óptica de formación de imágenes (7,8), caracterizado por que entre el láser (1) y su óptica de formación de Imágenes (8), están dispuestos un homogeneizador (3a) y una lente de campo (3b) para formar un punto homogéneo (HS), y están dispuestos a continuación de los mismos por lo menos una máscara y una combinación de diafragma (18, 6), disponiéndose varias máscaras y combinaciones de diafragmas en un dispositivo Intercambiador (28, 53, 54) y estando adaptado el dispositivo intercambiador para colocar una de las máscaras (18) y uno de los diafragmas (6) en la trayectoria del haz (29) del láser (1), independientemente entre sí, pudiéndose desplazar linealmente o de manera giratoria las máscaras (18, 18A-18E, 18/1-18/9) y los diafragmas (6, 6A-6E), y pudiendo girar sobre sí mismos en los soportes (31A a 31E; 34A a 34E).

11. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que las máscaras (18) y los diafragmas (6) en el dispositivo intercambiador (54) están cada uno colocados en un elemento de sujeción (55, 56), estando dispuesto este último en los depósitos respectivos.

12. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende un segundo láser (15) en el intervalo de los picosegundos o femtosegundos, comprendiendo el dispositivo unos medios (32, 32F) para colocar en primer lugar la superficie (9) del objeto (1) que se debe estructurar en el plano de formación de imágenes de la óptica de formación de imágenes (8) del primer haz de láser (2) y, a continuación, en el interior del plano focal de la óptica de focalización (8F) del segundo haz de láser (2F).

13. Dispositivo según la reivindicación 12, 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 excimeros 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.

14. Dispositivo según la reivindicación 12, caracterizado por que comprende un difractómetro (12) que presenta por 1 lo menos un conjunto de CCD (8, 8F) para medir la radiación (14, 14F) reflejada y difractada por las estructuras de

láser de excímeros y de láser de femtosegundos, respectivamente.

15. Dispositivo según la reivindicación 12, para estructurar zonas sobre un rodillo de estampación o una matriz de estampación para estampar características de autentificación y/o zonas eficaces de difracción óptica sobre una

lámina de embalaje, o zonas sobre partes de reloj, monedas o piezas de joyería revestidas o no revestidas, para producir unas características de autentificación y/o signos eficaces de difracción óptica.