Hologramme Präzisionstechnik für Walzenbeschriftung und Hologramm-Herstellung

Autor / Redakteur: Ralph Hardt Junior * / Johann Wiesböck

Für eine hochpräzise Walzenbeschriftung, wie sie z.B. für die Hologramm-Herstellung nötig ist, wirken Präzisionsmechaniken, moderne Steuerungen und Laserkontrollfunktionen zusammen. Eine entsprechende Software koordiniert den Produktionsprozess.

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Bild 1: Rolle-zu-Rolle-Walze bei der Bearbeitung eines dünnen Substrats.
Bild 1: Rolle-zu-Rolle-Walze bei der Bearbeitung eines dünnen Substrats.
(Bild: Aerotech)

Für viele Produkte des täglichen Bedarfs werden Bauteile benötigt, die nur mit Präzisionswalzen im Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt werden können. Dazu gehören z. B. Sicherheitshologramme für Kreditkarten oder Spezialfolien, um die Bildschirmhelligkeit auf Mobiltelefonen und anderen LCDs zu steigern. Um fälschungssichere Produkte herstellen zu können, werden immer fortschrittlichere und kompliziertere Hologramme verwendet.

In der Elektronik konzentriert sich der Miniaturisierungsprozess auf kleinere, eingebettete Funktionen auf Spezialfolien. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden und die Produkte fertigen zu können, werden Hochpräzisions-Masterwalzen eingesetzt.

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Die Laserbeschriftung dieser Walzen wird durch Präzisions-Bewegungstechnik ermöglicht, indem die Bewegung der Walze im Verhältnis zum fokussierten Laserstrahl sowie die Ansteuerung des Lasers in den exakt richtigen zeitlichen Abständen und an den richtigen Stellen erfolgen.

Worauf beruht die Herausforderung der Miniaturisierung an die dafür notwendige Steuerung? Die Antwort liegt im Endprodukt: Um mit den technologischen Fortschritten komplexer Muster und reduzierter Elektronikgrößen Schritt zu halten, liegen die erforderlichen, individuellen Druck/Beschriftungsfunktionen im Submikronbereich und müssen in einigen Fällen in gegenseitigen Abständen unter 100 nm platziert sein.

Zusätzlich sind die Hersteller motiviert Hochgeschwindigkeitssysteme zu produzieren, da die Bearbeitung dieser Walzen Wochen in Anspruch nehmen kann. Beispielsweise benötigt eine bei 50 U/min bearbeitete Walze mit 300 mm Durchmesser einen Laserpuls-Trigger im 0,0012-ms-Intervall, um Laserpulsfunktionen der Größe 1 μm auf der Außenfläche der Walze zu erzeugen.

Den leistungsstarken Bewegungssubsystemen von Aerotech gelingt es die geforderten engen Genauigkeitstoleranzen zu erfüllen und die Schwierigkeiten der Funktionsminiaturisierung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren zu lösen.

Für die Herstellung der Präzisionswalzen sind verschiedene Technologien erforderlich: hohe Positionsauflösung, hochgenaue Mechanik, die Fähigkeit den Laser an einer exakten, kalibrierten Position der Walze anzusteuern und Autofokusfunktionen, welche dem Laser ermöglichen, in der optimalen Brennweitendistanz zu operieren.

Strukturgrößen im Submikronbereich

Der Einsatz dieser Technologien ermöglicht Strukturgrößen im Submikronbereich und einen Einzelabstand < 100 nm zwischen den Strukturen. Durch den Einsatz von hochauflösenden Messsystemen, Präzisions-Luftlagertechnologien und modernen Steuerungen und Antrieben erzielen die Bewegungssysteme von Aerotech die geforderten Strukturen im Submikronbereich.

Um Auflösungen im Nanometer- und Subwinkel-Bereich zu erreichen, werden in der Regel Feedbacksysteme mit sinusförmigen Signalen sowie Auflösungsvervielfacher verwendet. Um beispielsweise den Laserpulsabstand auf einer Walze mit 300 mm Durchmesser bis auf 1 μm elektronisch zu steuern, muss der an der rotierenden Achse der Walze befestigte Encoder über eine Auflösung von mindestens 0.00038 Grad verfügen.

Um Bewegungen im Submikronbereich zu erreichen, muss die Lagertechnologie eine nahezu reibungslose Bewegung der Achsen ermöglichen. Erzielt wird dies durch ein Luftlager, da in diesem Fall zwischen den beiden Lagerflächen kein mechanischer Kontakt besteht. Außerdem muss die mechanische Ausrüstung mit hochleistungsfähiger Antriebselektronik und Software gekoppelt sein, um die Bewegung bis in den Bereich der Nanometer-Auflösung zu steuern.

Die Steuerelektronik muss über eine hohe elektrische Auflösung und einen niedrigen Geräuschpegel verfügen, um entsprechend kleine Ströme auf den Motor der Positionierplattform übertragen zu können. Sofern möglich, sollten lineare Verstärker verwendet werden, da durch elektronisch geschaltete PWM-Verstärker Servorauschen verursacht werden kann.

Dank der Verwendung von Hochauflösungs-Encodern, Luftlagertechnologien und linearen Verstärkern sind die Bewegungssubsysteme von Aerotech speziell für die Fertigung von Präzisions-Masterwalzen geeignet.

Den Laser mit der Walze synchronisieren

Das Prozess-Tool (Laser) muss mit der Position der Walze synchronisiert werden, da andernfalls die Strukturen verzerrt oder auf der Walzenoberfläche inkorrekt positioniert werden. Aerotech hat das patentierte Verfahren entwickelt einen Laser auf der Grundlage der kalibrierten Position der Walze zu triggern. Dies eliminiert die Problematik von Laufzeitfehlern und Strukturverzerrungen, da die kalibrierten Encodersignale der Achsen direkt zur Laseransteuerung verwendet werden.

Diese Funktion wird als „Positionssynchroner Trigger“ (PSO) bezeichnet und stützt sich auf Hochgeschwindigkeitselektronik zur Ansteuerung des Lasers. Die Positionen der Achsen werden kombiniert, so dass die Lasertriggerung zwischen der rotierenden Walze und der linearen Bewegung des Lasers koordiniert wird. Durch diese Funktion kann der Laser bei Raten von bis zu 12,5 MHz mit Latenz von nur 160 Nanosekunden feuern.

Zusätzlich ermöglichen Autofokusabläufe, die in den Aerotech-Controller eingebaut sind, die Einstellung des Lasers in optimaler Distanz zur Walzenoberfläche. Dadurch werden Rundlauftoleranzen vermindert. Dies ist wichtig, da es nicht möglich ist die Rohwalzen so herzustellen, dass sie über die gesamte Länge dieselbe Rundlauftoleranz haben.

Um den Autofokusablauf einzusetzen, wird dem System ein Abstandssensor in Richtung des Laserstrahls hinzugefügt. Dieser misst den Abstand der aktuellen Walzenposition zur Laseroptik. Jeder Laser verfügt über eine ideale fokale Distanz, in der die Spotgröße und der Intensitätspegel optimal sind. Auf exakt diese Stelle wird der Autofokusablauf eingestellt.

Um eine Bewegungsachse zu steuern, kann der Wert des Abstandssensors direkt in die Aerotech-Positionsregelung eingegeben werden. So wird die ideale Brennweite des Laserstrahls aufrechterhalten und eine konsistente Strukturierung über die gesamte Oberfläche der Walze ermöglicht.

Mangelhafte Hologramme gefährden die Sicherheit

Da der technologische Fortschritt bei Rolle-zu-Rolle-Produkten des täglichen Bedarfs zunimmt, müssen auch die Verfahren, mittels der die Master-Walzen hergestellt werden, verbessert werden. Die Miniaturisierung und wachsende Komplexität dieser Produkte treibt die Weiterentwicklung von Positioniersystemen für Rolle-zu-Rolle-Anwendungen voran. Aerotech löst das Problem mit hochmoderner Mechanik, Steuerungselektronik, entsprechenden Laserfunktionen und Software.

Aerotechs „Drum Writer“ werden häufig bei der Herstellung holografischer Bilder eingesetzt. Die Bilder werden durch die Deformierung eines dünnen reflektierenden, metallischen Materials unter Anwendung einer schweren Walze erzeugt. Der Einsatz der Hologramme reicht von Sicherheitsinformationen für Kreditkarten bis hin zu Eyecatchern auf Verpackungsmaterialien, was besonders bei Zahnpasta gerne genutzt wird.

Werden Hologramme mangelhaft gefertigt, kann dies bei Kreditkarten zu einer Gefährdung der Sicherheitsstufe führen. Auch das menschliche Auge nimmt Verzerrungen als störend wahr, was auf Verpackungsmaterialien unerwünscht ist. Aerotech Drum Writer arbeiten hochpräzise und können Fehler im fertigen Hologramm verhindern: www.aerotechgmbh.de.

* Ralph Hardt Junior ist Application Engineer bei der Aerotech Inc. und beschäftigt sich mit kundenspezifischen Problemlösungen.

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