Parameterstudie von Interferenzeffekten an laserinduzierten Titanoxidschichten auf Titan erzeugt mit einem Nd:VO 4 - Markierungslaser

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1 Parameterstudie von Interferenzeffekten an laserinduzierten Titanoxidschichten auf Titan erzeugt mit einem Nd:VO 4 - Markierungslaser S. Stissel, S. Marschner, H. Beyer, C. Villringer, T. Döhler, M. Hofmann, S. Schrader Technische Hochschule Wildau [FH], Technical University of Applied Science, Bahnhofstraße, Wildau Abstract Das konventionelle Beschriften von Gehäuseteilen und Verpackungen mittels herkömmlicher Farbdrucktechniken wurde in den letzten Jahren immer stärker von der Lasermarkierung abgelöst. Die Vorteile liegen im Bereich der Schnelligkeit und Genauigkeit. Jedoch ist die Darstellung von farbigen Beschriftungen nur möglich, wenn die Schichtsysteme aus verschiedenen Lacken schichtweise abgetragen werden [1]. Es wird nach einem Verfahren gesucht, das das farbige Beschriften mittels Laser ermöglicht. Das Anlassmarkieren aus dem Bereich der Metallbearbeitung bildet eine solche Möglichkeit. Es ist eine Sonderform der Markierungstechnik, die die Erzeugung von Anlassfarben bei der Erwärmung von Metallen nutzt. Die Farbeffekterzeugung beruht dabei auf Interferenzen von eingestrahltem Licht an dünnen Schichten. Die Laserstrahlung regt eine Metalloberfläche zur Bildung eines Oxids an. Im Hinblick darauf, dass die erzeugte dielektrische Schicht ausreichend dünn ist, wirkt sie annähernd transparent und es bildet sich ein Zweischichtsystem aus. Bei Einstrahlung von weißem Licht kommt es durch die Interferenz zu Änderungen im reflektierten Licht, was zu einem veränderten Farbeindruck führt. Die hier vorgestellten Untersuchungen wurden an Titanblech durchgeführt. Die Reproduzierbarkeit ausgewählter Farbeffekte auf Titan hat ergeben, dass eine materialspezifische Parametrisierung der Beschriftungsenergie bzgl. der Einstellmöglichkeiten eines Markierungslasersystems der Firma Keyence durchführbar ist. Durch u.a. reflekto- und spektrometrische Vermessungen konnte eine Abschätzung des Bereichs der Schichtdicke gemacht werden. Keywords: Anlassbeschriften, Titandioxid, Interferenz, Farbeffekt 1 Einleitung Das Laserbeschriften ist ein interessanter Bereich der Lasermaterialbearbeitung. Es profitiert von besonders schnellen und innovativen Prozessmöglichkeiten. Der Laserbeschriftungsvorgang kann auf verschiedenen Prozessen auf dem bestrahlten Material beruhen. Zur Kontrasterzeugung werden der Materialabtrag, die Karbonisierung, das Aufschäumen, das Freilegen von Farbpigmenten und weitere Prozesse genutzt. Der jeweilige Farbeindruck hängt dabei stark von der Reaktionsart, dem zu markierenden Material und dem Laser ab [1]. Ein relativ neues Feld der Lasermarkierung ist das Anlassbeschriften. Dabei können Metalle farbig markiert werden. Die Ursache ist eine Metalloxidbildung durch Wärmeeintrag. Beim Anlassbeschriften wird die Energie durch den Laser zugeführt. Die 1

2 Metallatome oxidieren aufgrund des Sauerstoffgehaltes in der Raumluft und bilden dünne Oxidfilme auf den Metallen. Aufgrund ihrer geringen Dicke (10 nm bis 200 nm) und den dielektrischen Eigenschaften wird so ein interferenzfähiges Schichtsystem erzeugt [2]. Die Betrachtung einer Anlassmarkierung unter Weißlicht führt aufgrund von auftretender Interferenz zu einem farbigen Eindruck, der zum Einen stark von der Oxidschichtdicke und dem Metall selbst, aber auch zum anderen vom Betrachtungswinkel abhängt. Die auf dem Titan erzeugte Titanoxidschicht führt zur Interferenz an dünnen Schichten. Dabei kommt es zur Verstärkung und Auslöschung von Teilwellen [3]. Im Zuge eines Forschungs- und Entwicklungsprojektes im Masterstudium Photonics bestand die Aufgabe darin, die farbige Markierungen auf Titan durch die Erzeugung von Titanoxidschichten unterschiedlicher Schichtdicke zu erzeugen. Verwendet wurde das Lasermarkierungssystem MD-V9900 der Firma Keyence. Das Hauptaugenmerk lag dabei in der reproduzierbaren Herstellung des Corporate Design - Logos der Technischen Hochschule Wildau. 2 Versuchsaufbau Zur Realisierung von farbigen Lasermarkierungen wird ein Yttrium-Vanadat Lasermarkierungssystem der Modellreihe MD-V9900A von Keyence in verwendet. Das laseraktive Medium ist ein Yttrium-Vanadat-Kristall (YVO 4 ), der mit Neodym (Nd) dotiert ist. Die emittierte Wellenlänge liegt mit 1064 nm im infraroten Bereich, die maximale Ausgangsleistung im Pulsbetrieb beträgt 300 kw. Eine fθ-linse fokussiert den Laserstrahl im kompletten Markierungsbereich auf die Zielfläche. Mit individuellen Scannern wird der Brennpunkt auf der X-, Y- und Z-Achse verschoben. Der Probenraum ist aufgrund der La- Abbildung 1: Schematischer Aufbau des Laserarbeitsbereiches. serklasse 4 Strahlung mit einem Metallgehäuse abgeschirmt. Auf einem höhenverstellbaren Probentisch befindet sich der Markierungsbereich mit den Abmaßen 120 mm x 120 mm (siehe Abbildung 1). Die Pulsfolgefrequenz kann von 1 khz bis 400 khz bei einer Pulsbreite von 2 ns bis 100 ns variiert werden und die maximale Scangeschwindigkeit beträgt mm/s. Die einstellbaren Primärparameter sind Laserleistung, Q-Switch- Frequenz und Scangeschwindigkeit [4]. Des Weiteren können als Sekundärparameter 2

3 Verfahrqualitätseinstellungen, eine Defokussierung und wiederholtes Lasern eingestellt werden. Bei dem für den Markierungsprozess verwendeten Material handelt es sich nach DIN um Titan der Werkstoffnummer , welches eine Titanreinheit von 99,7% aufweist [5]. Die Proben liegen in Blechform der Maße 100 mm x 100 mm vor. Die Dicke beträgt 0,6 mm. Die Oberfläche ist plan und weitestgehend unbehandelt. Die arithmetische Rauigkeit (Ra) wurde mit einem Veeco di CP-II Atomic Force Microscope bestimmt und beträgt Ra 200 nm. 3 Versuchsdurchführung Um Parameter zu entsprechenden Farbeffekten zuordnen zu können, wird zuerst eine Übersicht der auftretenden Abhängigkeiten erstellt. Nach der Interferenztheorie sind die Farbeffekte von der Schichtdicke der Titandioxidschicht abhängig, die wiederum von der eingestrahlten Markierungsenergie abhängt. Werden nur die Primärparameter betrachtet, ergibt sich 1) ein proportionaler Zusammenhang zwischen der Laserleistung und der Energie, 2) eine nur durch die Trägheit des Scannersystems beeinflusste Linearität zwischen Scangeschwindigkeit und Energie und 3) eine nichtlineare Abhängigkeit mit einem theoretischen Maximum bzgl. der Q-Switch-Frequenz 2). Zusätzlich ist durch eine Defokussierung Abbildung 2: Abhängigkeiten der Primärparameter des Laser zur Markierungsenergie. des Laserstrahls eine homogenere Temperaturverteilung auf der Oberfläche zu erwarten, wodurch es möglich wird eine gleichmäßigere Oxidschicht zu erstellen (siehe Abbildung 3). Der aufgeweitete Laserspot führt bei der Umsetzung mit einem Laser eines Pixelbildes zu Überlagerungen der einzelnen Einflusszonen jedes Pixels, sowie zu einem thermischen Einfluss auf benachbarte Pixel. Mit Hilfe von softwareunterstützten Parametertests ist die Abbildung 3: Schematische Darstellung der Defokussierung und der folgenden Überlappung der Einflusszone und des verstärkten thermischen Einflusses. 3

4 schnelle Untersuchung verschiedenster Parameterkombinationen mo glich. Dabei ko nnen jeweils zwei gewa hlte Parameter variiert werden. Die Ergebnisse werden in einer zweidimensionalen Matrix dargestellt. Wird der Parameterbereich systematisch eingegrenzt, kann der gewu nschte Farbeffekt in Bezug auf die verschiedenen Einstellmo glichkeiten beschrieben werden (siehe Abbildung 4). Abbildung 4: Systematische Parameterbereicheingrenzung mit Hilfe von softwareunterstu tzten Parametertests. 4 Messergebnis Die Tests haben eine Parameterkombination (Tabelle 1) ergeben, die einen blauen Farbeffekt erzeugt, der dem Blauton des Corporate Designs der Hochschule stark a hnelt. (siehe Abbildung 5). Mit dem Ziel eine mo glichst homogene Schicht zu erzeugen, ist ein besonders starker Einfluss der Defokussierung aufgefallen. Laserleistung [%] Scangeschwindigkeit [mm/s] Q-Switch-Frequenz [khz] Laserpunktvariable (Defokussierung) [ ] Qualita tseinstellung (Verfahrweg) [ ] Wiederholungen [ ] Tabelle 1: Ermittelte Parameterkombination fu r blauen Farbeffekt. Abbildung 5: Gelasertes TH Wildau (FH) Logo. 4

5 5 Evaluierung der Oxidschicht / Diskussion Um weiter Farbeffekte zu realisieren, ist es no tig mit Hilfe eines theoretisches Modells die fu r die jeweilige Farbe beno tigte Dicke der Oxidschicht zu berechnen. Voraussetzung dafu r ist die Kenntnis der Brechungsindizes und der Absorptionskoeffizienten fu r die einzelnen Schichten, sowie der geometrische Aufbau des Schichtsystems. In Abbildung 6 sind die verschiedenen Farben in Abha ngigkeit von Schichtdicke und Betrachtungswinkel dargestellt. Der Vergleich von Reflektometriemessungen mit den theoretisch ermittelten Reflexionsgra- Abbildung 6: Farbeffekte in Abha ngigkeit von Schichtdicke und Betrachtungswinkel von einer TiO2-Schicht auf Ti-Substrat [6]. den ergab eine Schichtdicke, die im Bereich von ca. 30 nm bis 50 nm liegt (siehe Abbildung 8). Der große Variationsbereich ist durch die diffuse Streuung der rauen laserbearbeiteten Oberfla che (siehe 7) und durch die Abweichung der im theoretischen Modell angenommenen Dispersionsverla ufen zu den realen Materialeigenschaften begru ndet. Dadurch kann lediglich ein grober Bereich mit dem theoretischen Modell abgeglichen werden. Voraussetzung dafu r ist die Kenntnis der Brechungsindizes und der Absorptionskoeffizienten fu r die einzelnen Schichten, sowie der geometrische Aufbau des Schichtsystems. Fu r die Modellierung wird eine Reflexion an einem ebenen Zweischichtsystem aus Titan und einem gewa hlten Titanoxid als Grundlage genommen. Fu r das Titanoxid werden die optischen Konstanten von kristallinem TiO2 in Rutilkonfiguration verwendet. Die Rutilkonfiguration Abbildung 7: Lichtmikroskopaufnahmen von unbehandelter Titanoberfla che (links) und bestrahlter Titanoberfla che mit blauem Farbeffekt (rechts). 5

6 ist bei ausreichender Sauerstoffzufuhr am wahrscheinlichsten [7]. Mit Hilfe der Erstellung entsprechender Reflektivitätsspektren für explizite Schichtdicken ist ein Vergleich mit den Messwerten der Reflektometriemessung möglich (siehe Abbildung 8). Abbildung 8: Vergleich von einem theoretischem Schichtdickenmodell (links) und der Reflektometriemessung der Titanoberfläche mit Farbeffekt (rechts). 6 Zusammenfassung Die Ergebnisse zeigen, dass das kommerzielle Lasermarkierungssystem MD-V9900A von Keyence auf Basis eines Vanadatlasers prinzipiell in der Lage ist, farbiges Markierungen auf Titanoberflächen zu erzeugen. Durch die Variation der Laserparameter konnte gezielt eine laserinduzierte Titanoxidschicht mit definierten Eigenschaften auf dem Titansubstrat erzeugt werden, welche zu dem erwünschten Farbeindruck führt. Es zeigt sich, dass die theoretische Modellierung des Farbeffektes aufgrund der rauen Oberfläche und der nicht homogenen Titanoxidschicht nur zur groben Abschätzung verwendet werden kann. 7 Referenzen [1] Firma Acsys, Laserbeschriftung, (abgerufen am: :00) [2] Oliver Eckert, Messtechnische Charakterisierung von Anlauffarben auf niedriglegierten Stählen, Diplomarbeit 2008, Fachhochschule Brandenburg [3] J.H. Lee, G.E. Jang, Y.H. Jun, Investigation and evaluation of structural color of TiO 2 coating on stainless steel, Ceramics International 38S, S.661 S664, 2012 [4] Keyence Corporation, MD-V9900(A) Series User s Manual, 2009 [5] Valbruna Edol Inox GmbH, Werkstoffdatenblatt Titan Gr.2 / [6] Jens Raacke, Interferenzmessungen, (abgerufen am: :00) [7] J.L. Murray, The O-Ti (Oxygen Titanium) System, Bulletin of Alloy Phase Diagrams Vol.8 No.2 S.165,