Diese Erfindung betrifft die Herstellung von strukturierten Schleifoberflächen auf Substraten in einer Form, die für die Feinbearbeitung von Substraten wie etwa Metallen, Holz, Kunststoffen und Glas verwendbar sind, unter Anwendung eines Tiefdruckverfahrens.

Der Vorschlag isolierte Strukturen wie etwa Inseln aus einer Mischung aus einem Bindemittel und einem Schleifmaterial auf einem Unterlagenmaterial abzuscheiden ist seit vielen Jahren bekannt. Wenn die Inseln sehr ähnliche Höhen über der Unterlage aufweisen und entsprechend beabstandet sind, dann wird die Verwendung des Produkts (vielleicht nach einem geringfügigen Bearbeitungsvorgang) zu einer verringerten Oberflächenverkratzung und verbesserter Oberflächenglattheit führen. Zusätzlich gewährleisten die Lücken zwischen den Inseln einen Weg, durch den Schleifstaub der beim Abrieb erzeugt wird aus dem Arbeitsbereich entfernt werden kann.

Bei einem herkömmlichen beschichteten Schleifmittel zeigt die Untersuchung der Schleifoberfläche, dass eine vergleichsweise kleine Zahl der Oberflächenschleifmittelkörner in einer aktiv abtragenden Zone zu gleicher Zeit in Kontakt mit dem Werkstück stehen. Mit zunehmendem Verschleiß der Oberfläche erhöht sich diese Zahl, jedoch wird in gleicher Weise die Brauchbarkeit einiger dieser Schleifmittelkörner durch Abstumpfen verringert. Die Verwendung von Schleifmitteloberflächen umfassend eine gleichförmige Anordnung isolierter Inseln hat den Vorteil, dass die gleichförmigen Inseln im Wesentlichen mit der gleichen Geschwindigkeit verschleißen, so dass eine gleichmäßige Abriebsgeschwindigkeit über längere Zeiträume aufrechterhalten werden kann. In diesem Sinne wird die Abriebsarbeit gleichmäßiger zwischen einer größeren Anzahl von Schleifpunkten verteilt. Da die Inseln viele kleinere Schleifmittelteilchen umfassen werden durch die Erosion einer Insel darüber hinaus neue unbenutzte Schleifmittelteilchen freigelegt die noch nicht abgestumpft sind.

Eine Technik zur Herstellung einer solchen Anordnung von isolierten Inseln oder Punkten die bisher beschrieben wurde ist die Technik des Tiefdruckverfahrens (siehe beispielsweise US-A-5,152,917, worauf die Präambel von Anspruch 1 basiert ist).

Die Technik des Tiefdrucks verwendet eine Walze in deren Oberfläche ein Muster aus Zellen eingraviert wurde. Die Zellen werden mit der Formulierung befüllt und die Walze wird gegen eine Oberfläche gepresst, wobei die Formulierung in den Zellen auf die Oberfläche übertragen wird. Normalerweise würde die Formulierung dann zerfließen bis es keine Trennung mehr zwischen den aus jeder einzelnen Zelle abgeschiedenen Formulierungen gibt. Letztendlich würde eine Schicht mit im Wesentlichen gleichförmiger Dicke erhalten. Im Wege der Veranschaulichung beschreiben die Beispiele C und D des US-Patents Nr. 5,152,917 ein Verfahren bei dem im mittels eines Tiefdruckverfahrens erhaltenen Muster schnell jegliche Trennung der aus den Zellen abgeschiedenen individuellen Mengen verloren geht.

Im US-Patent Nr. 5,014,468 wurde eine Bindemittel/Schleifmittelformulierung aus Tiefdruckzellen auf einer Walze auf solche Weise abgeschieden, dass die Formulierung in einer Reihe von Strukturen abgelegt wurde, welche eine Fläche, die von Schleifmittel frei ist, umgeben. Es wird angenommen, dass dies das Ergebnis davon ist, dass weniger als das vollständige Volumen der Zelle abgeschieden wird sowie nur vom Perimeter jeder Zelle, was zu den beschriebenen Ringbildungen führen würde.

Das Problem des Tiefdruckansatzes war daher immer die Beibehaltung einer nützlichen Form der Insel. Um eine Schleifmittel/Bindemittelmischung zu formulieren, die ausreichend fließfähig ist um abgeschieden zu werden und wiederum ausreichend nicht fließfähig, dass sie nicht zu einer im Wesentlichen gleichförmigen schichtartigen Beschichtung zusammensinkt wenn sie auf einem Substrat abgeschieden wird, hat sich als sehr schwierig erwiesen.

Chasman et al. offenbaren im US-Patent Nr. 4,773,920 dass es mit der Verwendung eines Tiefdruckbeschichters möglich ist ein gleichförmiges Muster von Erhebungen und Tälern in die Bindemittelzusammensetzung einzubringen welches, sobald ausgehärtet, für Kanäle zur Entfernung von Schmiermittel und Schleifstaub dienen kann. Es werden jedoch über die bloße Behauptung der Möglichkeit keine Details angegeben welche lehren könnten wie dies ausgeführt werden könnte.

Im US-Patent Nr. 4,644,703 verwendeten Kaczmarek et al. eine Tiefdruckwalze in mehr herkömmlicher Weise um eine Schleifmittel/Bindemittelformulierung abzuscheiden und eine Schicht abzuscheiden, die anschließend geglättet wird bevor eine zweite Schicht mittels eines Tiefdruckverfahrens auf die Oberseite der geglätteten ersten Schicht abgeschieden wird. Es gibt keine Lehre über die Natur der fertigen ausgehärteten Oberfläche.

Im US-Patent Nr. 5,014,468 von Ravipati et al. wurde vorgeschlagen eine Schleifmittel/Bindemittelmischung zu verwenden, die nicht-Newtonische dilatante Fließeigenschaften aufweist, und diese Mischung mittels einer Tiefdrucktechnik auf eine Folie abzuscheiden. In diesem Verfahren wurde die Mischung aus den Kanten der Tiefdruckzelle abgeschieden um eine besondere Struktur zu erzeugen, mit Ablagerungen verringerter Dicke mit einem Abstand weg von den Oberflächen umgebenden Flächen, die frei von der Mischung waren. Wenn die Zellen ausreichend nah beieinander waren kann es vorkommen, dass die Oberflächenstrukturen miteinander verbunden sind. Dieses Produkt hat sich als sehr nützlich erwiesen, insbesondere bei Feinbearbeitungsvorgängen im ophthalmischen Bereich. Das Verfahren ist sehr nützlich, hat jedoch ein potentielles Problem mit der Erhöhung der Ansammlung von Material in den Zellen der Tiefdruckwalze, so dass sich das Abscheidungsmuster über die Dauer eines Herstellungsdurchlaufs geringfügig verändern kann. Zusätzlich liegt es im Wesen des Verfahrens, dass es auf Formulierungen welche relativ feine Schleifmittelkörner enthalten (üblicherweise weniger als 20 Mikrons) beschränkt ist.

Ein weiterer Ansatz war es die Schleifmittel/Bindemittelmischung auf einer Substratoberfläche abzuscheiden und anschließend ein Muster aufzuerlegen, umfassend eine Anordnung von isolierten Inseln auf der Mischung, in dem das Bindemittel ausgehärtet wurde während es in Kontakt mit einer Form stand welche das Inverse der erwünschten gemusterten Oberfläche darstellt. Dieser Ansatz wird beschrieben in den US-Patenten Nr. 5,437,754; 5,378,251; 5,304,223 und 5,152,917. Es gibt viele Variationen dieses Themas, jedoch haben alle das gemeinsame Merkmal, dass jede Insel in dem Muster durch Aushärten des Bindemittels in Kontakt mit einer formgebenden Oberfläche festgelegt wird.

Auch dieser Ansatz ist nicht ohne Probleme dahingehend, dass häufig unvollständiges Abziehen von der Form auftritt, so dass häufig anstelle des Erzeugens von beispielsweise Pyramiden vulkanartige Formen mit einem vollständigen Krater erzeugt werden.

Die vorliegende Erfindung zeigt eine Technik zur Herstellung von gleichförmig gemusterten Formen auf einer Schleifmittel/Bindemittelkombination die keinen Vorgang der Aushärtung in einer Form erfordert oder die Auswahl einer Bindemittel/Schleifmittelkombination mit spezifischen nicht-Newtonischen dilatanten Fließeigenschaften.

Die vorliegende Erfindung gewährleistet daher eine flexible und wirksame Route für die Herstellung von beschichteten Schleifmitteln mit einer gleichförmigen Anordnung isolierter Schleifmittelzusammensetzungsformen im kommerziellen Maßstab. Derartige beschichtete Schleifmittel sind für die Behandlung einer breiten Vielzahl an Substraten gut angepasst um die feine Bearbeitung über ausgedehnte Betriebszeiträume bei einer im Wesentlichen gleichförmigen Abriebsgeschwindigkeit zu gewährleisten.

Das mit Verwendung von Tiefdrucktechniken verbundene Problem bei der Erzeugung gemusterter beschichteter Schleifmaterialien war immer die Beibehaltung einer verwendbaren Form und eines Musters nach der Abscheidung der Formulierung. Häufig verliert die abgeschiedene Form ihre vertikalen Dimensionen und neigt dazu an der Oberfläche entlang zu laufen und zu benachbarten Formen aufzuschließen. Dieses Problem wird in den Vergleichsbeispielen C und D des US-Patents Nr. 5,152,917 beschrieben, welches oben diskutiert wurde. Die im US-Patent Nr. 5,014,468 herangezogene Lösung war es eine Formulierung zu verwenden, welche eine dilatante (shear-thickening) Rheologie aufweist, welche bewirkte, dass die aus den Kanten der Tiefruckzellen abzuscheidende Mischung die dort beschriebenen spezifischen Muster ausbildet.

Es wurde nun gefunden, dass wenn die Niedrigscherungsviskosität und die Hochscherungsviskosität gut gesteuert werden, es dann möglich ist unter Verwendung einer Tiefdrucktechnik gemusterte beschichtete Schleifmittel mit verschiedenen ausgeprägten Mustern einschließlich einzelner Punkte, verbundener Punkte, Linien und anderer Muster zu erzeugen, sogar wenn die Formulierung eine strukturviskose (shear-thinning) Rheologie aufweist. Der Schlüssel ist es, die Bindemittel/Schleifmittelmischung so zu formulieren, dass sie zwei Bedingungen erfüllt. Die erste Bedingung ist, dass die Viskosität unter relativ hohen Scherungsbedingungen (wie sie bei der Befüllung der Tiefdruckzellen, beim Abrakeln der Tiefdruckwalzenerhebungen nach dem Befüllen der Zellen und während des Übertragens des Materials auf ein Substrat am Spalt zwischen der Tiefdruckwalze und einer Gummiwalze auftreten) relativ niedrig ist. In anderen Worten, die Formulierung sollte eine niedrige Hochscherungsviskosität aufweisen um eine Beschichtungsabscheidung auf dem Substrat zu erleichtern. Die zweite Bedingung ist, dass die Formulierung eine hohe Niedrigscherungsviskosität aufweist um ein übermäßiges Fließen und Einebnen zu verhindern sobald die Formulierung auf dem Substrat unter niedrigscherenden Bedingungen aufsitzt bevor es ausgehärtet wird. Es ist also höchst erwünscht, dass die Viskositäts-Wiederherstellungszeit kurz ist im Vergleich mit der Zeit zwischen Beschichtungsabscheidung und Aushärtung.

Theoretische Studien der Mustererhaltung von Ablagerungen zeigen, dass die Oberflächenspannung die zum Fließen führende Triebkraft ist (und somit zum Verlust des Musters führt), und die Viskosität die widerstrebende Kraft ist. Daher wird die Beibehaltung des Musters begünstigt durch eine niedrige Oberflächenspannung und eine hohe Viskosität. Jedoch variiert die Oberflächenspannung bei spannungshärtenden Bindemitteln wie sie üblicherweise in den Schleifmittel/Bindemittelformulierungen verwendet werden, auf welche sich die vorliegende Erfindung in erster Linie bezieht, nicht viel und liegt im Allgemeinen im Bereich von etwa 30–40 Dynes/cm. Auch hat eine gut formulierte wasserbasierte Schleifmittel/Bindemittelmischung eine Oberflächenspannung im Allgemeinen im gleichen Bereich. Daher ist die Viskosität der am meisten das Ergebnis beeinflussende Parameter, der eingestellt werden kann.

Die vorliegende Erfindung umfasst daher ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Schleifmittels umfassend eine Struktur aus Schleifmittel/Bindemittelkompositen haftend auf einem Unterlagenmaterial, wobei das Verfahren umfasst:

• (a) Aufbringen einer Schicht aus einer Formulierung umfassend Schleifmittelkörner (und ggf. Schleishilfsmittel, Füllstoffe und Additive) und einem aushärtbaren Bindemittelharz in einem Muster aus isolierten Strukturen mittels Tiefdrucktechnik;
• (b) Nach der Auftragung der Formulierung auf das Unterlagenmaterial erhöhen der Viskosität mindestens der Oberflächenschichten der abgeschiedenen Formulierung um so die Isolierung der Strukturen beizubehalten; und danach
• (c) Aushärten der Bindemittelkomponente der Formulierung um das Muster aus isolierten Strukturen auf der Unterlage beizubehalten;

Die Viskosität wird hierin unter Verwendung eines Bohlin VOR-Rheometers bei Beschichtungstemperaturen die üblicherweise im Bereich von etwa 15°C bis 50°C liegen bestimmt. Der Schlüssel ist, dass die Formulierung eine vernünftigerweise geringe Viskosität bei hohen Scherungsbedingungen aufweist, wie sie während des Füllens der Tiefdruckzellen, dem Abrakeln der Walze um überschüssige Formulierung und Ablagerung aus den Zellen zu entfernen auftreten, wobei nach der Abscheidung die Viskosität ausreichend schnell angehoben werden muss um ein Zerfließen der Formulierung und ein Zerstören der Isolierung der abgeschiedenen Strukturen zu verhindern. Die Isolierung wird nicht als verloren gegangen betrachtet wenn sich die Eingrenzungen verändern, sondern nur wenn die Strukturen in Kontakt mit benachbarten Strukturen an allen Punkten um die Eingrenzungen kommen und die Tiefe der Formulierungen an den Kontaktstellen mindestens 10% der maximalen Höhe der kontaktierten Strukturen oberhalb der Unterlage ausmachen.

Ein sehr geeigneter Weg zur Sicherstellung der Beibehaltung der Separierung ist es eine Kunststoffformulierung mit thixotropem Charakter zu verwenden, d. h. welche zeitabhängiges strukturviskoses Verhalten aufweist. Einige Formulierungen erlangen ihre hohe Viskosität sehr schnell zurück wenn die Hochscherungsbedingungen entfernt werden. Üblicherweise hat die Viskosität innerhalb von etwa 30 Sekunden mindestens 50% ihres Wertes unter niedrigscherenden Bedingungen wiedergewonnen, und dies ist in den meisten Fällen genug um einen Verlust der Isolierung zu vermeiden bevor der Aushärtungsprozess begonnen hat um die Viskosität zu erhöhen.

In einem Herstellungsbetrieb kann die Viskosität besser mit einem Broofield-Viskosimeter gemessen werden.

Die Viskosität wird beeinflusst durch die Temperatur, und die oben zitierten Viskositäten sind die bei Temperaturen bei welchen die Formulierung in dem obigen Verfahren aufgetragen wird. Typischerweise geschieht dies bei einer Temperatur von beispielsweise etwa 15°C bis 50°C.

Es ist ferner erwünscht, dass die Viskositäts-Wiederherstellungszeit, d. h. die Zeit um von der niedrigen Viskosität unter hochscherenden Bedingungen zur normalen hohen Viskosität zurückzukehren wenn die Scherungsbedingungen aufgehört haben, relativ kurz ist, wie etwa weniger als 60 Sekunden und vorzugsweise weniger als 30 Sekunden.

Jede Formulierung, sogar eine nicht-thixotrope, mit einer niedrigen Hochscherungsviskosität im oben genannten Bereich kann jedoch bei der Abscheidung modifiziert werden um so die Viskosität auf das höhere Niedrigscherungsviskositätsniveau wie oben beschrieben einzustellen, um so das Zerfließen, das normalerweise bei den niedrigen Viskositäten bei welchen die Formulierung abgeschieden wird auftritt, zu begrenzen. Es ist also nicht notwendig, dass die Viskosität der gesammten Formulierung auf ein höheres Niveau eingestellt wird. Es oft ausreichend wenn die äußere exponierte Schicht schnell die höhere Viskosität erlangt, da dies als eine Haut wirkt welche die Form der Struktur aufrechterhält, sogar wenn der innere Anteil die niedrigere Viskosität für einen längeren Zeitraum beibehält.

Die Viskositätsveränderung mindestens der Oberflächenschichten kann beispielsweise durch Einbauen eines flüchtigen Lösemittels in die Formulierung erreicht werden, das schnell verloren geht wenn die Formulierung auf das Unterlagenmaterial abgeschieden wird, vielleicht mit Hilfe einer erhöhten Umgebungstemperatur oder durch lokalisiertes Anblasen mit heißem Gas. Eine erhöhte Temperatur kann natürlich auch die Viskosität verringern. Es ist daher wichtig, diese konkurrierenden Wirkungen auszugleichen um sicherzustellen, dass das Ergebnis ein Erhöhen der Viskosität ist. Ein in dieser Richtung hilfreicher Faktor würde eine Tendenz sein bei erhöhter Temperatur eine beschleunigte Aushärtung zu bewirken.

Eine andere Option würde es sein die Temperatur der Struktur nach unten zu regeln, so dass die Viskosität erhöht wird. Dies könnte beispielsweise dadurch gemacht werden, dass das Substrat mit den Strukturen der abgeschiedenen Formulierung darauf über eine gekühlte Walze und/oder unter einem Kaltgasstrom durchgeführt wird.

Neben der Einstellung der Viskosität durch Veränderung der Temperatur oder Entfernung von Flüssigkeit ist es auch möglich die Viskosität durch Erhöhung des Feststoffgehalts zu erhöhen. Obwohl dies nicht für den inneren Teil der abgeschiedenen Formulierung gemacht werden kann, ist dies auch nicht wirklich notwendig. Es ist ausreichend, dass die Oberflächenschicht die höhere Viskosität erreicht um so die Form des abgeschiedenen Musters zu halten. Daher wird das Aufstreuen eines fein verteilten Pulvers auf die Oberfläche der Struktur bewirken, dass sich eine lokalisierte „Haut" von höherer Viskosität auf der Struktur ausbildet, was dazu führt, dass diese ihre Form beibehält bis die Aushärtung die Form permanent werden lässt. Das Pulver selbst kann ein Schleifmittel sein, ein Füllstoff oder ein Pulvermaterial welches vorteilhafte Eigenschaften mit sich bringt, beispielsweise ein Schleühilfsmittel wie etwa Kaliumtetrafluorborat, ein antistatisches Mittel wie etwa Graphit, ein Antilastmittel wie etwa Zinkstearat, ein Festschmierstoff wie etwa Wachs oder jede Kombination derartiger Materialien. Dies ist tatsächlich ein vorteilhafter und bevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung.

Der Prozess kann auch dadurch unterstützt werden, dass man gewährleistet, dass die Tiefdruckwalze erwärmt wird und die Oberfläche auf welche die Formulierung abgeschieden wird gekühlt wird. Das Erwärmen der Tiefdruckwalze sollte jedoch nicht in einem solchen Ausmaß erfolgen, dass das Bindemittel auszuhärten anfängt und die Viskosität infolge dessen erhöht wird, wenn thermisch härtbare Kunststoffformulierungen verwendet werden.

1 zeigt ein Beispiel der Viskositätsvariation bezüglich der Schergeschwindigkeit einer Schleifmittelaufschlämmungsformulierung dieser Erfindung. Wie gezeigt ist die Viskositätsveränderung von hochscherenden zu niedrigscherenden Bedingungen sehr ausgeprägt. Auch ist, wie in 2 gezeigt, die Wiederherstellung der Viskosität wenn die hochscherenden Bedingungen entfernt werden so, dass mehr als 50% der Niedrigscherungsviskosität wiedergewonnen werden sobald die hochscherenden Bedingungen abgestellt werden. Mit diesen rheologischen Eigenschaften behalten die abgeschiedenen Beschichtungsformulierungen das Tiefdruckmuster mit einer Separierung zwischen den einzelnen Ablagerungen bei. Die 3 und 4 zeigen die beschichteten Muster einer Schleifmittelformulierung gemäß der vorliegenden Erfindung, welche unmittelbar nach der Abscheidung ausgehärtet wurden im Vergleich zu solchen mit einer 40-minütigen Verzögerung zwischen Abscheidung und Aushärtung. Dies zeigt, dass im Gegensatz zu den verschmierten Mustern der Vergleichsbeispiele C und D des US-Patent Nr. 5,152,917 eine Schleifmittelaufschlämmungsformulierung mit einer gut formulierten Rheologie gemäß der vorliegenden Erfindung sein diskretes Muster sogar bis zu 40 Minuten nach der Abscheidung und bevor das Bindemittel letztendlich ausgehärtet und mittels UV gesetzt wird beibehält.

Die Abscheidung kann in jedem gewünschten Muster erfolgen und dies wird größtenteils bestimmt durch die Größe und Verteilung der Zellen in der Tiefdruckwalze. Im Allgemeinen sind hexagonale, tetragonale, dreieckige und viereckige Zellenquerschnitte recht geeignet, obwohl auch andere verwendet werden können. Es ist beispielsweise möglich zu gewährleisten, dass die Zellen in Form von Rillen vorliegen (z. B. trihelikale Zellen), eingeschnitten in die Walzenoberfläche. Dies ist häufig eine sehr vorteilhafte Konfiguration und kann angepasst werden um ein Muster diagonaler Streifen zu erzeugen, das sofort sehr unterschiedlich ist und auch für das Schleifen sehr effektiv ist. Die Zahl der Zellen pro Längeneinheit kann auch variiert werden, obwohl bei einer höheren Zelldichte das Volumen der Zellen vorzugsweise kleiner ist um die Trennung zwischen den Zellinhalten nach der Abscheidung auf die Oberfläche zu maximieren. Wenn die Zellen sehr nah beieinander angeordnet sind ist es möglich durch die Anordnung zu bewirken, dass die abgeschiedenen Formulierungen zusammenlaufen, um so eine im Wesentlichen kontinuierliche Linie zu erzeugen.

Andere Anordnungen, einschließlich isolierter Punkte oder Gruppen von Punkten sind auch sehr geeignet. Die abgeschiedenen Punkte selbst neigen dazu rund zu sein, wobei jedoch die Abscheidungstechnik einschließlich der Geschwindigkeit der Tiefdruckwalze und das Verfahren durch welche die Zellen gefüllt werden verursachen kann, dass sich die Form des abgeschiedenen Punktes vom Runden abweicht. Daher kann der Punkt die Form eines Halbmonds aufweisen oder einen „Kometenschwanz" haben. In einigen Fällen können diese Formen gewisse Vorteile aufweisen, sind im Allgemeinen jedoch nicht bevorzugt. Es ist daher bevorzugt den Andruck und die Umstände unter welchen die Tiefdruckwalze die Oberfläche des Substrats auf welche die Formulierung aufgetragen wird berührt, so einzustellen, dass sichergestellt ist, dass einzelne runde Punkte der abgeschiedenen Formulierung erhalten werden.

Die Schleifmittelkomponenten der Formulierung können beliebige der verfügbaren und im Stand der Technik bekannte Materialien sein, wie etwa Alpha-Aluminiumoxid, (geschmolzene oder gesinterte Keramik), Siliziumkarbid, gesintertes Alumina/Zirkonia, kubisches Bornitrid, Diamant und dergl., wie auch die Kombinationen davon. In den Anwendungen für welche diese Art von Produkt in erster Linie gedacht ist, ist das bevorzugte Schleifmittel Aluminiumoxid und insbesondere Schmelzkorund. Für die Erfindung verwendbare Schleifmittelteilchen haben typischerweise und vorzugsweise eine durchschnittliche Teilchengröße von 1 Mikron bis 150 Mikron und besonders bevorzugt von 1 Mikron bis 80 Mikron.

Der Anteil an Schleifmittel in der Formulierung wird natürlich teilweise durch die oben ausgeführten Viskositätseinschränkungen und die Art der Anwendung bestimmt. Im Allgemeinen jedoch liegt die Menge an Schleifmittel bis etwa 90% und vorzugsweise von etwa 30 bis etwa 80% des Gewichts der Formulierung.

Die andere Hauptkomponente der Formulierung ist das Bindemittel. Dies ist eine härtbare Kunststoffformulierung, ausgewählt aus strahlungshärtenden Harzen, wie etwa die unter Verwendung von Elektronenstrahlung, UV-Strahlung oder sichtbarem Licht aushärtbaren, etwa acrylierte Oligomere von acrylierten Epoxydharzen, acrylierte Urethane und Polyesteracrylate und acrylierte Monomere umfassend monoacrylierte oder multiacrylierte Monomere, sowie thermisch härtbare Harze wie etwa Phenolharze, Harnstoff/Formaldehydharze und Epoxydharze, wie auch Mischungen derartiger Kunststoffe. Tatsächlich ist es oft günstig eine strahlungshärtbare Komponente in der Formulierung vorliegen zu haben die relativ schnell ausgehärtet werden kann, nachdem die Formulierung abgeschieden wurde, um so zur Stabilität der abgeschiedenen Form beizutragen, wie übrigens auch ein thermisch härtbares Harz. Im Kontext dieser Anmeldung wird unter dem Begriff „strahlungshärtbar" verstanden, dass dieser die Verwendung von lichtbarem Licht, ultraviolettem (UV)-Licht und Elektronenstrahlung als Mittel umfasst welches die Aushärtung herbeiführt. In einigen Fällen können die Funktionen der thermischen Aushärtung und die Funktionen der Strahlungshärtung durch verschiedene Funktionalitäten im gleichen Molekül gewährleistet werden. Dies ist oft ein erwünschtes Mittel.

Die Harzbindemittelformulierung kann auch einen nicht reaktiven thermoplastischen Kunststoff umfassen der die selbstformenden Eigenschaften der abgeschiedenen Schleifmittelkomposite durch Erhöhung der Erodierbarkeit steigert. Beispiele derartiger thermoplastischer Kunststoffe umfassen Polypropylenglykol, Polyethylenglykol und Polyoxypropylen-Polyoxyethenblockcopolymer, etc.

Füllstoffe können in die Schleifmittelaufschlämmungsformulierung eingebaut werden um die Rheologie der Formulierung und die Härte und Festigkeit der ausgehärteten Bindemittel zu verändern. Beispiele von verwendbaren Füllstoffen umfassen: Metallcarbonate wie etwa Kalziumcarbonat, Natriumcarbonat; Siliziumoxide wie etwa Quartz, Glaskügelchen, Glasbläschen; Silikate wie etwa Talkum, Tone, Kalziummetasilikat; Metallsulfate wie etwa Bariumsulfat, Kalziumsulfat, Aluminiumsulfat; Metalloxide wie etwa Kalziumoxid, Aluminiumoxid; sowie Aluminiumtrihydrat.

Die Schleifmittelaufschlämmungsformulierung kann ein Schleifhilfsmittel umfassen um die Schleifwirksamkeit und Abriebsgeschwindigkeit zu erhöhen. Verwendbare Schleifhilfsmittel können anorganisch basiert sein wie etwa Halogensalze, z. B. Natriumkryolith, Kaliumtetrafluorborat, etc.; oder organisch basiert wie etwa chlorierte Wachse, z. B. Polyvinylchlorid.

Die bevorzugten Schleifhilfsmittel in dieser Formulierung sind Kryolith und Kaliumtetrafluorborat mit Teilchengrößen im Bereich von 1 Mikron bis 80 Mikron und besonders bevorzugt von 5 Mikron bis 30 Mikron. Der Gewichtsanteil des Schleifhilfsmittels reicht von 0% bis 50% und besonders bevorzugt von 10 bis 30%.

Die Schleifmittelaufschlämmungsformulierung dieser Erfindung können ferner Additive umfassen einschließlich von: Kupplungsmitteln wie etwa Silankupplungsmittel, beispielsweise etwa A-174 und A-1100 erhältlich von Osi Specialities, Inc., Titanat und Zirkoaluminate; Antistatikmittel wie etwa Graphit, Ruß und dergl.; Suspendiermittel wie etwa Kieselsäure, z. B. Cab-O-Sil M5, Aerosil 200; Antilastmittel wie etwa Zinkstearat; Gleitmittel wie etwa Wachs; Netzmittel; Farbstoffe; Dispergiermittel; und Entschäumer.

Das Unterlagenmaterial auf welches die Formulierung abgeschieden wird kann ein Stoff sein (gewebt, nicht gewebt, oder Vlies), Papier, Kunststofffolie, Metallfolie oder Kombinationen davon. Im Allgemeinen finden die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Produkte ihre größte Nützlichkeit bei der Herstellung von Feinschleifmaterialien und daher ist eine sehr glatte Oberfläche bevorzugt. Daher ist feinkalendriertes Papier, Plastikfolie oder ein Stoff mit einer glatten Oberflächenbeschichtung üblicherweise das bevorzugte Substrat für die Abscheidung der Kompositformulierungen gemäß der Erfindung.

Die Erfindung wird weiter beschrieben in Bezug auf bestimmte spezifische Ausführungsformen die so zu verstehen sind, dass sie lediglich zu Veranschaulichungszwecken bereitgestellt werden und keine notwendige Beschränkung des Schutzumfangs der Erfindung andeuten.

Um die Darstellung der Daten zu vereinfachen werden die folgenden Abkürzungen verwendet:

• Ebecryl 3600, 3700 Acrylierte Epoxoligomere erhältlich von UCB Radcure Chemical Corp.
• TMPTA Thrimethylolpropantriacrylat erhältlich von Sartomer Company Inc.
• HDODA 1,6-Hexandioldiacrylat erhältlich von Sartomer Co., Inc.
• V-PYROL Vinylpyrrolidon erhältlich von GAF Corp.
• ICTA Isocyanattriacrylat erhältlich von Sartomer Co., Inc.
• TRPGDA Tripropylenglykoldiacrylat erhältlich von Sartomer Co., Inc.
• Kustom KS-201 Acrylatmonomergel erhältlich von Kustom Service Inc.

• Irgacure 651 ein Fotoinitiator erhältlich von Ciba-Geigy Company.
• Speedcure ITX2-Isopropylthioxanthon erhältlich von Aceto Chemical Corp.
• Speedcure EDB Ethyl-4-dimethylaminobenzoat erhältlich von Aceto Chemical Corp.
• KR-55 Titanatkupplungsmittel erhältlich von Kenrich Petrochemical.
• FC-171 Fluorcarbontensid erhältlich von 3M Company.
• BYK-A510 Schaumunterdrücker erhältlich von Mallinckrodt Corp.
• A-1100 Aminopropyltriethoxysilan erhältlich von Osi Specialities, Inc.
• SOLOX Isopropylalkohol erhältlich von EM Science.
• Dye 9R-75 Quinacridonviolett UV, eine Dispersion erhältlich von Penn Color.
• Pluronic 25R2 Polyoxypropylen-Polyoxyehtylenblockcopolymer erhältlich von BASF Corp.
• Cab-O-Sil M5 Kieselsäure von Cabot Corporation.
• ATH S3 Aluminiumtrihydrat von Alcoa.

• FU ... 3 Mikronschmelzkorund (Al₂O₃) von Fujimi.
• T ... FRPL Schmelzkorund (Al₂O₃) von Treibacher (Typ angezeigt durch „P-"Nummer)
• TB ... BFRPLCC Wärmebehandelter Schmelzkorund (Al₂O₃) mit keramischer Beschichtung von Treibacher (Typ gekennzeichnet durch „P-"Zahl)

• KBF₄ Kaliumtetrafluorborat mit mittlerer Teilchengröße von 20 Mikron erhältlich von Solvay, Inc.

• A 3 Mil Mylarfilm für ophthalmische Anwendungen.
• B 5 Mil Mylarfilm für Metallbearbeitungsanwendungen.
• C J-Gewicht Polyestertuch mit einer Oberflächenextrusionsbeschichtung von 75 Mikron Dicke aus Surlyn* Surlyn ist ein Ionomerharz SURLYN 1652-1 von Du Pont. .
• D J-Gewicht Polyestertuch mit einer Oberflächenextrusionsbeschichtung von 50 Mikron Dicke aus Surlyn.
• F F755 Phenol finishing J-Gewicht Polyestertuch.

Die Monomere und/oder Oligomerbestandteile wurden 5 Minuten unter Verwendung eines Hochscherungsmischers bei 1.000 Upm miteinander vermischt. Diese Bindemittelformulierung wurde anschließend mit beliebigen Startern, Netzmitteln, Entschäumungsmitteln, Dispergatoren, etc. vermischt und das Mischen wurde weitere 5 Minuten bei der gleichen Rührgeschwindigkeit fortgesetzt. Anschließend wurden die folgenden Bestandteile zugesetzt, langsam und in der angegebenen Reihenfolge, mit 5 Minuten Rühren bei 1.500 Upm zwischen den Einzelzugaben: Suspensionsmittel, Schleifhilfsmittel, Füllstoffe und Schleifkörner. Nach dem Zusatz des Schleifkorns wurde die Rührgeschwindigkeit auf 2.000 Upm gesteigert und 15 Minuten fortgesetzt. Während dieser Zeit wurde die Temperatur sorgfältig beobachtet und die Rührgeschwindigkeit wurde auf 1.000 Upm verringert wenn die Temperatur 40,6°C erreichte. Danach wurden die Temperatur und die Viskosität aufgezeichnet.

Der Beschichtungsaufbau umfasst eine Gummiwalze mit einer Shore-A-Härte von 75 und einem Rakelklingensatz um einen Winkel bezüglich zur Tangente an Kontaktpunkt von 55 bis 75°C einzustellen. Eine Rasterwalze rotiert in einer Beschichtungspfanne um die Formulierung in die Zellen zu füllen. Die Rasterwalze welche die gefüllten Zellen trägt läuft dann unter der Rakelklinge durch um überschüssige Formulierung zu entfernen und kommt danach in Kontakt mit dem Substrat wenn es unter der Gummiwalze durchläuft, welche bewirkt, dass die Formulierung aus den Zellen herausgezogen wird und auf dem Unterlagenmaterial abgeschieden wird.

Nachdem das Muster auf dem Substrat abgeschieden wurde durchläuft das gemusterte Substrat eine Aushärtungsstation. Bei thermischer Aushärtung werden entsprechende Mittel bereitgestellt. Bei durch Fotoinitiatoren aktivierte Aushärtung kann eine Lichtquelle bereitgestellt werden. Wenn UV-Aushärtung angewendet wird werden zwei 300 Watt-Quellen verwendet: Eine D-Röhre und eine H-Röhre, wobei die Dosis gesteuert wird durch die Geschwindigkeit mit der das gemusterte Substrat unter den Quellen hindurch geführt wird.

Die beschichteten Muster und die relevanten Viskositäten sind in den folgenden Tabellen 2 und 3 gezeigt. „HEX" kennzeichnet hexagonale Zellen; „QUAD" kennzeichnet quadratische Zellen; und „TH" kennzeichnet trihelikale Linienmuster. Die hexagonal erhabenen Muster sind typisch für diejenigen gemäß dem Stand der Technik US-Patent Nr. 5,014,468.

„Diskrete &Dgr;-Punkte" zeigt, dass die einzelnen Punkte dreieckig waren.

Anzumerken ist, dass alle Beispiele mit der Viskosität innerhalb des Bereichs wie vorher ausgeführt diskrete Muster mit Separierung zwischen einzelnen Abscheidungen zeigten.

Das 17-HEX-Hexagonalrastermuster umfasst die Zellen von 559 Mikrons Tiefe mit gleichen Seiten von 1.000 Mikrons oben und 100 Mikrons am Boden.

Das 10 TH-trihelikale Muster umfasst kontinuierliche Kanaleinschnitte bei 45° bezüglich der Walzenachse die eine Tiefe von 699 Mikrons und eine Oberseitenöffnungsbreite von 2.500 Mikrons aufweisen.

Das 10-QUAD-quadratische Muster umfasst quadratische Zellen mit einer Tiefe von 420 Mikrons, einer Oberseitendimension von 2.340 Mikrons und eine Bodenseitendimension von 650 Mikrons.

Es wurde herausgefunden, dass die Rasterwalze „Punkte" abscheidet, die Form der Punkte beeinflusst werden kann durch die Rotationsgeschwindigkeit der Rasterwalze und den Druck der durch die Gummiwalze ausgeübt wird. Eine zu hohe Geschwindigkeit und ein zu hoher Druck zwischen der Gummiwalze und der Rasterwalze führt zu einer Störung der Form weg von den Runden in Richtung auf dreieckige Formen und kann sogar dazu führen, dass benachbarte Punkte miteinander verbunden werden. Unter idealen Bedingungen jedoch die gemäß der Formulierung variieren werden die Gummiwalzenhärter und der Druck auf die Rasterwalze, das Rastermuster und die Geschwindigkeit der Abscheidung, wird das „Punkt"-Muster rund sein.

Die Härtung wurde gestartet unter Verwendung von UV-Strahlung innerhalb von etwa 30 Sekunden nach der Abscheidung der Formulierungen. Die Beispiele wie oben beschrieben wurden Schleiftests unterzogen unter Verwendung eines modifizierten 1 : 1 Fss-Ring-Testverfahrens. In jedem Fall wurde ein 6,4 cm × 152,4 cm-Band verwendet und das Band wurde mit einer Geschwindigkeit von 1524 smpm bewegt. Das Band wurde mit einem ringförmigen Werkstück aus 304 Edelstahl kontaktiert (17,8 cm äußerer Durchmesser, 15,2 cm innerer Durchmesser und 3,1 cm Breite), bei einem Druck von 10 psi (69 KN/m²). Das Kontaktrad hinter dem Band war ein 7 Inch (17,8 cm) glattflächiges Gummirad mit 60 Durometer Härte. Das Werkstück wurde mit einer Geschwindigkeit von 3 smpm bewegt.

Zehn Ringe wurden auf eine anfängliche Ra von 50 vorangeraut. Die Schleifintervalle von einer Minute wurden gefolgt von Messungen der Abriebsmenge, der Werkstücktemperatur und der Oberflächenglätte. Bei den zehn Ringen wurden insgesamt 10 Minuten Schleifen mit jedem Band durchgeführt und der Gesamtabrieb und die durchschnittliche Oberflächenglätte Ra, Rtm, und die Temperatur des Werkstücks wurden aufgezeichnet. Ra ist das arithmetische Mittel der Abweichung vom Rauhigkeitsprofil von der Mittellinie und Rtm ist der gewichtete Durchschnitt der tiefsten Kratzer. Sowohl Ra als auch Rtm-Werte sind in Einheiten von Mikroinch angegeben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt. Vergleichsbeispiel C-1 verwendet ein kommerzielles Feinschleifprodukt erhältlich von Norton Company unter der Bezeichnung R245 mit P-400 Schmelzkorundschleifkörnern. R245 trägt keine gemusterte Oberfläche.

Die Muster-beschichteten Proben ergeben einen viel höheren Gesamtabrieb wobei sie einen kühleren Schnitt anbieten als die herkömmlich beschichteten Schleifmittel R245.

Der zweite Satz von Beispielen folgte der gleichen Testprozedur mit der Ausnahme, dass die Ringe auf eine anfängliche Ra von 70 vorangeraut wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt. Vergleichsbeispiel C-2 verwendet ein kommerzielles Feinabriebsschleifmittel erhältlich von Norton Company unter der Bezeichnung R245 mit P-320 Schmelzkorundschleifkörnern. R245 trägt keine gemusterte Oberfläche.

Wiederum stechen sowohl die 10 Q- als auch die 10 TH-gemusterten Schleifmittel auf diversen verschiedenen Unterlagen das konventionelle nicht gemusterte beschichtete Schleifmittel beim Gesamtabrieb und dem kühleren Schnitt aus, wobei akzeptable Oberflächenglätten erzielt werden.

In der folgenden Testreihe wurde diese Testprozedur verwendet wie oben beschrieben mit dem Unterschied, dass 20 Ringe auf eine anfängliche Ra von 70 vorangeraut wurden und eine Gesamtzeit von 20 Minuten Schleifzeit wurde auf jedem Band durchgeführt. Der anfängliche Abrieb nach der ersten Minute des Schleifens wurde auch aufgezeichnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 aufgeführt.

Beispiel 13-a zeigt, dass das Band dasselbe war wie in Beispiel 13 verwendet mit Ausnahme, dass das Band vor der Verwendung vorbehandelt (pre-dressed) wurde. Dies verbessert eindeutig den Anfangsabrieb (nach der ersten Minute des Schleifens) und die Glattheit der Oberfläche, büßt jedoch etwas beim erhaltenen Gesamtabrieb ein. Beispiel 13-b zeigt den Effekt des Herauslassens des Schleifhilfsmittelbestandteils (KBF₄) aus der Formulierung, d. h. mit 70 Gew.-% P320 Aluminiumoxidkorn (T) und ohne jedes KBF₄ in der Aufschlämmung. Der Anfangsabrieb des Beispiels 13-b blieb gering sogar nach dem Vorbehandlungsschritt vor dem Test. Beispiel 16 zeigt einen geringeren Anfangsabrieb und Gesamtabrieb, jedoch eine feinere Oberflächenglätte kann mit einer unterschiedlichen Harzformulierung erhalten werden.

Im folgenden Satz von Schleifbeispielen wird der Effekt der zusätzlichen Beschichtung von Pulvermaterial auf die gemusterte beschichtete Schleifmittelaufschlämmung demonstriert.

Das gleiche Testverfahren wie oben beschrieben wurde befolgt mit 20 Ringen, vorangeraut auf einen Anfangs-Ra-Wert von 80. Die Ra und Rtm-Werte wurden gemessen nur nach der 1. Minute, der 10. Minute und der 20. Minute des Schleifens. Die Ra und Rtm-Werte wie angegeben sind der Durchschnitt dieser drei Ablesungen. Der Anfangsabrieb nach der 1. Minute des Schleifens wurde auch angegeben. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 gezeigt.

Beispiel 14 zeigt, dass die 10 trihelikal gemusterten Schleifmittel mit einer Aufstellungsformulierung unter Verwendung von wärmebehandeltem Aluminiumoxidkörnern (BFRPLCC) und KBF₄-Schleifhilfsmittel einen viel höheren Gesamtabrieb und kühles Schneiden aufwiesen als das Vergleichsbeispiel C-2. Beispiel 14-a ist das gleiche wie Beispiel 14 mit Ausnahme, dass eine zusätzliche Schicht aus BFRPLCC-Schleifmittelkörnern auf die gemusterte Schleifmittelaufschlämmung aufbeschichtet wurde, dann gefolgt von UV-Aushärtung. Dies verbessert den Anfangsabrieb (nach einer Minute Schleifen) und die Oberflächenglätte, verringert jedoch den Gesamtabrieb. Dieser Kompromiss zwischen dem Anfangsabrieb und dem Gesamtabrieb kann ausgemerzt werden wenn eine Pulvermischung aus BFRPLCC-Körnern und KBF₄-Schleifhilfsmittel anstatt von nur Körnern auf die Oberfläche der gemusterten Schleifmittelaufschlämmung und anschließend gefolgt von UV-Aushärtung aufbeschichtet wurde. Wie in Beispiel 14-b gezeigt, verbesserte eine zusätzliche Pulverbeschichtung aus Korn/Schleifhilfsmittelmischung (2 : 1 Gewichtsverhältnis) beträchtlich den Anfangsabrieb, wohingegen der Gesamtabrieb und eine feinere Oberflächenglätte beibehalten wurde. Dieser Ansatz ist tatsächlich ein bevorzugter Aspekt dieser Erfindung.

Der folgende Satz von Beispielen zeigt wie der Zusatz eines nicht-reaktiven thermoplastischen Polymers die Schleifeigenschaften der gemusterten Schleifmittel beeinflusst. Beispiel 13-c in Tabelle 8 ist das gleiche wie Beispiel 13 in Tabelle 6 mit Ausnahme, dass eine zusätzliche Pulverbeschichtung aus FRPL/KBF₄-Mischung (2 : 1 Gewichtsverhältnis) auf die Oberfläche der Schleifmittelaufschlämmung aufgebracht wurde. Anzumerken ist, dass mit allem anderen gleichbleibend, der Zusatz von Pluronic 25R2, ein nicht-reaktives Polyoxypropylen-Polyoxyethylenblockcopolymer, den Gesamtabrieb beträchtlich verbessert (Beispiel 25 im Vergleich zu Beispiel 26 und Beispiel 24 im Vergleich zu Beispiel 13-c), in beiden Fällen mit und ohne zusätzlicher Oberflächenpulverbeschichtung.

In einem weiteren Satz von Experimenten worin die Schleifeffektivität der erfindungsgemäßen Produkte geprüft wurde wurden bestimmte Produkte auf einer Coburn Model 5000-Maschine getestet die dazu gedacht ist die Coburn-ophthalmische Prozedur I (505 Tpw-2FM) durchzuführen. Der Test umfasst das Polieren einer CR-39-Plastiklinse mit 6,4 cm Durchmesser und einer Dicke von 317,5 cm. Die Linse wird mit 1.725 upm oszilliert und das schleifmitteltragende Blatt welches eine 5 Mil Mylar-Unterlage aufweist wird eingestellt um zu Oszillieren während die Oberfläche der Linse berührt wird mit einem angelegten Druck von 20 psi (138 KN/m²). Die Linse erhielt eine erste Glättungsbehandlung und die geprüfte Anwendung in der Reihe von Vergleichen war ein zweiter Glättungsvorgang.

In den in Tabelle 9 gezeigten Ergebnissen wurde 2 Minuten lang kontinuierlich geschliffen. Die Daten in Tabelle 10 wurden erhalten nach wiederholten Schleifintervallen von 3 Sekunden und der Gesamtabrieb nach 1,5 und 10 Minuten wird angegeben.

Aus den obigen Daten in Tabelle 9 kann man entnehmen, dass eine glatte Beschichtung ohne das Tiefdruckmuster einen schlechten Abrieb und eine schlechte Oberflächenglättung aufweist. Es ist auch klar, dass die Frequenz und die Art des Musters von Bedeutung ist. C-3 ist ein erfolgreiches kommerzielles Produkt erhältlich von Norton Co. unter der Bezeichnung Q-135. Es wird jedoch leicht übertroffen von den Produkten die Muster von diskreten Punkten tragen.

Der letztere Punkt wird wiederum in Tabelle 10 gemacht welche zeigt, dass das diskrete Punktmuster damit fortfährt wirksam zu schleifen lange nachdem das hexagonal erhaben gemusterte Produkt schon aufgehört hat wirksam zu sein. Alle Formulierungen in obigen zwei Tabellen verwendeten die gleiche Kunststoffformulierung und die gleichen 3 Mikron-großen Schleifkörner.