Die Erfindung betrifft ein Werkzeug und dessen Verwendung zum Erzeugen
einer mikrostrukturierten Oberfläche, ein Verfahren zum Erzeugen einer wenigstens
teilweise mikrostrukturierten Oberfläche und einen Gegenstand mit mehrfach gekrümmter
und im Bereich der Mehrfachkrümmung wenigstens teilweise mikrostrukturierter Oberfläche,
dessen Mikrostruktur im Bereich der Mehrfachkrümmung mittels eines beschriebenen
Werkzeuges oder Verfahrens erzeugt werden kann.
Mikrostrukturierte Oberflächen werden in zunehmendem Maße für spezielle
Funktionen benötigt. Beispielhaft zu nennen sind hier Oberflächen mit der Lotusblattstruktur
oder strömungsbegünstigte Oberflächen. Produkte, die mit strömungsbegünstigten,
sogenannten „Riblet"-Oberflächen hinsichtlich Geschwindigkeit und Energieverbrauch
optimiert werden können, sind grundsätzlich Objekte, die einerseits selbst bewegt
werden, wie beispielsweise Flugzeuge, Schienenfahrzeuge, Automobile, Schiffe oder
auch Rotorblätter von Windkraftanlagen und andererseits Objekte, um die herum oder
durch die eine Bewegung stattfinden soll, wie z.B. Pipelines. Zusätzlich dienen
mikrostrukturierte Oberflächen dazu, Verschmutzungen oder Bewuchs (insbesondere
bei Schiffen) zu vermindern.
Derartige Oberflächenstrukturen werden häufig durch Extrusions- oder
Prägeverfahren als Folien erzeugt, die anschließend auf das jeweilige Werkstück
geklebt werden. Dieses Verfahren hat folgende Nachteile:
– Die Klebung einer Folie auf doppelt gekrümmten Flächen (z.B. auf Flugzeugtragflächen
oder Rotoren für Windkraftanlagen) ist schwierig bis unmöglich.
– Die Klebung kann sich im Betrieb ablösen.
– Eine Folie bringt zusätzliches Gewicht auf das Werkstück. Dies wirkt
der beabsichtigten Energieeinsparung beispielsweise im Falle von strömungsbegünstigten
Oberflächen an Fahrzeugen entgegen.
– Zusätzlich verbraucht eine Folie auch Volumen, was im Falle von Pipelines
zu einem verringerten Innenvolumen oder dem Bedarf an einem vergrößerten Außenvolumen
führt.
Zur Strukturierung von Folien sind Prägeverfahren bekannt, die Folien
oder folienartige Materialien in stationären Maschinen prägen. So offenbaren Reiner
Mehnert, A. Sobottka und Ch. Elsner in „Microstructured Polyacrylate Surfaces
Generated by UV&EP Curing", Proc. RadTech Europe, 08.-10., Basel (2001) 603–608
eine Vorrichtung, bei der eine Folie über eine Walze geführt wird, deren Oberfläche
als Matrize ausgebildet ist. Gleichzeitig mit dem Abdruck der Matrize in die Folie
wird die (zukünftige) Oberfläche der Folie durch Durchstrahlen der Folie mit Elektronen
oder UV-Strahlung ausgehärtet.
Eine ähnliche Vorrichtung wird auch in der DE
196 13 383 C1 offenbart, in der eine Gelatinefolienbahn zwischen zwei Walzen
hindurchgeführt wird, wobei eine von den Walzen an ihrer Oberfläche eine Matrize
umfasst.
Die EP 0 205 289 A1
offenbart ein Verfahren, in dem ebenfalls über eine Walze eine Mikrostruktur auf
eine Folie angebracht wird.
Den drei genannten Verfahren bzw. Vorrichtungen ist gemein, dass das
Material, dessen Oberfläche mikrostrukturiert werden soll, flexibel sein muss, so
dass es über die Andruckwalze geführt werden kann. Keines dieser Dokumente zeigt
eine Möglichkeit auf, mittels derer man mit einer Walze eine Mikrostruktur auf die
Oberfläche eines unflexiblen, starren Gegenstandes wie beispielsweise eines Fahrzeugbauteiles
aufbringen kann. Insbesondere liefern die erwähnten Vorrichtungen oder Verfahren
keinen Hinweis darauf, wie man oder dass man auf eine Folie verzichten könnte. Damit
ist eine Prägung (also eine Mikrostruktur) von doppelt gekrümmten, starren Flächen
nicht möglich. Zusätzlich erschwerend kommt hinzu, dass – falls die Prägung
mit einem gleichzeitigen (teilweisen) Aushärten der mikrostrukturierbaren Oberfläche
verbunden ist – dieses Aushärten durch Durchstrahlen der jeweiligen Folie
geschehen muss, da die mikrostrukturierbare Seite der Folie von der Matrize und
der diese tragenden Walze verdeckt ist. Ein solches Aushärten ist naturgemäß beim
Mikrostrukturieren größerer, nicht durchstrahlbarer Gegenstände – wie etwa
Bauteilen von Fahrzeugen – nicht möglich.
Um keine Folie verwenden zu müssen, wäre es im Grunde günstig, einen
Lack, der z.B. auf Fahrzeugoberflächen aufgebracht wird, direkt zu strukturieren.
Eine Prägung des noch nicht ausgehärteten Lackes durch einen kurzzeitigen Kontakt
mit einem Prägewerkzeug ist aber nicht in einer für bestimmte Anwendungen (z.B.
für eine strömungsgünstige Oberfläche) ausreichenden Qualität ohne weiteres möglich,
da herkömmliche Nasslacke kein Zeitfenster bieten, innerhalb dessen
der Lack noch verformbar ist und andererseits nach dem Kontakt mit dem Prägewerkzeug
nicht mehr verfließt. Darüber hinaus ist der Lack im nichtausgehärteten Zustand
extrem klebrig und bleibt beim Abnehmen des Prägewerkzeugs daran kleben, auch wenn
die Oberflächenenergie des Prägewerkzeugs extrem niedrig ist (z.B. kleiner als 25
mN/M).
Verfahren zur Nano- und Mikrostruktur von Lacken sind bekannt, z.B.
um Hologramme in der Lackschicht zu erzeugen. So offenbart beispielsweise die WO
00/30869 A1 ein Verfahren zur dekorativen Gestaltung einer lackierten Substratoberfläche,
bei dem ein durch UV-Strahlung vernetzbarer Lack durch eine Matrize hindurch mittels
UV-Strahlung ausgehärtet wird.
Auch in der bereits erwähnten DE
196 13 383 C1 ist eine durchstrahlbare Matrize offenbart; die Aushärtung
der mikrostrukturierbaren Oberfläche erfolgt mittels UV-Strahlung durch die Matrize
hindurch.
Keine der genannten Schriften offenbart jedoch einen Hinweis auf ein
Werkzeug, mit dem man große und gegebenenfalls doppelt gekrümmte Flächen mikrostrukturieren
kann, ohne dass Folien oder extrem große Matrizen eingesetzt werden müssten oder
(kleinere) Matrizen immer wieder aufzulegen und abzunehmen wären.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Werkzeug und
ein Verfahren zum Erzeugen einer mikrostrukturierten Oberfläche und die Verwendung
eines Werkzeuges sowie einen damit erzeugten Gegenstand anzugeben, mit dem es mit
geringem Aufwand möglich ist, eine Mikrostruktur auch auf unflexible, undurchstrahlbare
Werkstoffe und dabei insbesondere auf größere Flächen aufzubringen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 oder des Patentanspruchs 8 oder des Patentanspruchs 9 oder des Patentanspruchs
13.
Dabei ist unter „Erzeugen einer mikrostrukturierten Oberfläche"
die Erzeugung einer Oberflächentopographie zu verstehen, die im wesentlichen Strukturen
im Bereich von 100 &mgr;m bis 0,5 &mgr;m bevorzugt 50 &mgr;m bis 0,5 &mgr;m Abstand
zueinander und Tiefe umfasst. Falls das Erzeugen durch Abformen (z.B. Prägen) erfolgt,
ist der Fehler der Abformung (Abweichung von der Sollform) dabei kleiner als 5 &mgr;m,
bevorzugt kleiner 1 &mgr;m. Diese Oberfläche kann Teil einer speziellen Schicht
auf einem Substrat (beispielweise ein Lack auf einer Flugzeugtragfläche) sein oder
durch das Substrat selbst gebildet werden. Die genannte Topographie wird regelmäßig
durch Prägen und – falls die geprägte Oberfläche nicht bereits formstabil
ist – nachfolgendes Aushärten erzeugt.
Unter einer „verfahrbaren" Andruckwalze ist eine Andruckwalze
zu verstehen, deren Schwerpunkt eine Bewegung auf einer mikrostrukturierbaren Oberfläche
bzw. einem Substrat, auf dem eine solche Oberfläche aufgebracht wird, durchzuführen
vermag. Dementsprechend ist unter einem „Verfahren" der Walze über eine Oberfläche
das Bewegen des Schwerpunktes dieser Walze entlang der genannten Oberfläche zu verstehen,
wobei sich die Walze rollend bewegt.
Unter Aushärten ist im Rahmen dieses Textes ein wenigstens teilweises
Aushärten zu verstehen.
Die 1 bis 5,
auf die weiter unten noch im Detail eingegangen wird, stellen jeweils eine schematische
Darstellung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges dar, wobei die eingezeichnete Lichtquelle
(5, 5a) jeweils optional ist. Dementsprechend ist es z.B. möglich,
dass die Matrize (a) in Form eines Endlosbandes um nur eine Walze (1),
zwei (2) oder drei (vgl. z.B. 3)
und mehr Walzen oder (b) in Form eines z.B. an die Länge der zu mikrostrukturierenden
Fläche angepassten Einmalbandes (insbesondere zur Erzeugung von nicht identisch
wiederkehrenden Mikrostruktursmustern) über zwei (vgl. 4)
oder mehr als zwei Walzen geführt wird, wobei das Einmalband z.B. von einer ersten
Walze ab- und von einer zweiten Walze aufgewickelt wird. Der Fachmann wird leicht
weitere Gestaltungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Werkzeugs auffinden.
Wichtig für die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Werkzeugs ist
die Auswahl eines geeigneten Matrizenmaterials. Dieses Material sollte Strukturen
im Bereich von weniger als 20 Mikrometern, bevorzugt weniger als 5 Mikrometern,
wiederum bevorzugt 1 Mikrometer exakt reproduzieren können, es sollte vorzugsweise
im ausgehärteten Zustand eine niedrige Oberflächenenergie von ≤ 30 mN/m, bevorzugt
≤ 25 mN/m aufweisen und dadurch mit einem aushärtenden Lack keine starken Adhäsionskräfte
aufbauen, und es sollte bevorzugt eine Shore-Härte von 25 bis 40,
(besonders bevorzugt etwa 27 oder etwa 36) besitzen. Die mit diesen Shore-Härten
einhergehende Elastizität ist für den Mikrostruktursvorgang besonders geeignet.
Eine Erhöhung der Shore-Härte führt häufig zu deutlich schlechteren Mikrostruktursergebnissen,
da die Elastizitätsverringerung insbesondere zu einer Verschlechterung der Mikrostruktur
gekrümmter Flächen führt. Eine Verringerung der Shore-Härte unter die angegebenen
Werte führt ebenfalls häufig zu einer Verschlechterung der Mikrostruktur, da hierdurch
die benötigte Kraft zur Abformung (Prägung) nicht mehr so gut auf die mikrostrukturierbare
Oberfläche übertragen wird.
Für bevorzugte Ausführungsformen ist das Matrizenmaterial transparent
und besitzt nur eine geringe Absorption im Wellenlängenbereich der verwendeten Strahlung,
insbesondere von UV-Licht oder besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit, um thermische
Energie auf die mikrostrukturierbare Oberfläche zu übertragen, vorzugsweise ohne
sich dabei selbst zu verformen.
Dem Fachmann wird es anhand der geforderten Eigenschaften nicht schwer
fallen, auch Material für Matrizen auszuwählen, das nicht explizit in dem weiter
unten genannten Beispiel genannt wird. Gleiches gilt für die Elastizität des Materiales
der Andruckwalzen, welches der Fachmann leicht an die des Matrizenmateriales und
die Eigenschaften der mikrostrukturierbaren Oberflächen (z.B.: an die Krümmungsradien,
auch bei mehrfach gekrümmten Oberflächen, oder an die Aushärtungseigenschaften im
Falle eines Lackes) anpassen kann.
Ein wesentlicher Vorteil eines erfindungsgemäßen Werkzeuges ist, dass
es eine problemlose und kontinuierliche Bearbeitung von Oberflächen gestattet. Insbesondere
bei Auswahl von geeignetem Matrizen- und/oder Andruckwalzenmaterial ist es dazu
geeignet, auch gekrümmte, sogar mehrfach gekrümmte Oberflächen zu strukturieren.
Mehrfach gekrümmte Oberflächen sind im Zusammenhang dieses Textes
solche Oberflächen, die nicht faltenfrei von einer durchgehenden, eben ausbreitbaren,
mikrostrukturierten Folie nach dem Stand der Technik die gesamte Oberfläche berührend
bedeckt werden können.
Wesentlich für eine erfolgreiche Mikrostruktur ist in der Regel auch
die Auswahl eines geeigneten Systems aushärtbaren Materials, z.B. eines Lacksystems.
Dieses sollte idealerweise ein Zeitfenster bieten, innerhalb dessen der Lack noch
verformbar ist und andererseits nach dem Kontakt mit der Matrize nicht mehr verfließt.
Gleichzeitig sollte der Lack nicht so klebrig sein, dass er beim Abnehmen der Matrize
an dieser kleben bleibt. Da ein solches ideales Lacksystem auch näherungsweise nur
technisch aufwendig verwirklichbar ist, wird man oft auf Lacksysteme zurückgreifen,
die nicht die beschriebenen idealen Eigenschaften aufweisen. Entscheidend ist, dass
der Lack unter der Matrize soweit aushärtet, dass er nicht mehr an dieser klebt
und nach Ablösen der Matrize nicht mehr verläuft. Dies kann auch dadurch erreicht
werden, dass ein Lacksystem eingesetzt wird, das eine strahlen- oder thermisch induzierte
Vernetzungsreaktion aufweist, mittels der der Lack auch unter der Matrize ganz oder
teilweise vernetzt werden kann. Solche Lacksysteme eignen sich besonders zur Verwendung
mit bevorzugten Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Werkzeuges (vgl. weiter
unten).
In einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Werkzeugs
ist eine Walze (Abnehmerwalze) so eingerichtet, dass sie beim Verfahren des Werkzeuges
über die Oberfläche die Matrize wieder abnimmt.
Wesentliche Vorteile eines solchen bevorzugten erfindungsgemäßen Werkzeugs
sind, dass die durch die Rundung der Abnehmerwalze auftretenden Scherkräfte ein
Ablösen der Matrize von der mikrostrukturierbaren Oberfläche unterstützten und dass
in der Regel kein getrennter Abnahmevorgang für die Matrize mehr notwendig ist.
Bevorzugt ist in einem erfindungsgemäßen Werkzeug die Vorrichtung
zum Beschleunigen des Aushärtens des aushärtbaren Materials so angeordnet, dass
sie beim Verfahren der Andruckwalze über die Oberfläche deren Bewegung begleitet
und auf einen bereits überfahrenen Teil der Oberfläche einwirkt.
Bevorzugt umfasst eine solche Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens
eine Lampe und/oder eine Heizeinrichtung zum Bestrahlen und/oder Beheizen der mikrostrukturierbaren
Oberfläche.
Der Vorteil einer solchen Vorrichtung liegt darin, dass bei ihrer
Verwendung – die Anpassung des verwendeten aushärtbaren Materials (z.B. eines
Lacksystems) an den Wirkmechanismus der Vorrichtung vorausgesetzt
– durch die Aushärtung ein Verlaufen des aushärtbaren Materials, in das die
Mikrostruktur durch die Matrize eingebracht wurde, verringert oder sogar vermieden
wird.
Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Vorrichtung zum Beschleunigen
des Aushärtens eine UV-Lichtquelle ist, da besonders viele UV-aushärtbare Lacke
zur Verfügung stehen und eine Bestrahlung mit (UV-) Licht gut handhabbar ist.
Ganz besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Werkzeug, in dem
die Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens so angebracht ist, dass das Aushärten
des aushärtbaren Materials auf der mikrostrukturierbaren Oberfläche durch Durchstrahlen
oder Erwärmen der Matrize erfolgt. Dadurch findet das Aushärten im Betrieb schon
statt, während die Matrize noch in die mikrostrukturierbare Oberfläche gedrückt
ist, so dass ein Verlaufen der Mikrostruktur nach Entfernen der Matrize bei sachgemäßer
Handhabung ausgeschlossen werden kann und ein Kleben des aushärtbaren Materials
an der Matrize vermieden wird.
Bevorzugt wird das bevorzugte erfindungsgemäße Werkzeug zur Mikrostruktur
einer Oberfläche mit einem Lacksystem eingesetzt, das entweder rein strahlungshärtend
oder rein thermisch aushärtend ist oder mit einem System, welches eine Kombination
aus (a) thermischer und Strahlungshärtung oder (b) einem anderen Aushärtungsmechanismus
und (i) Strahlungshärtung oder (ii) thermischer Aushärtung darstellt. Ganz besonders
bevorzugt ist in diesem Zusammenhang ein zweikomponentiges sogenanntes Dual-Cure-Lacksystem,
das eine Mischung aus zwei unterschiedlichen Aushärtungsmechanismen besitzt:
Daraus ergeben sich für die Einprägung der Mikrostruktur folgende
weitere Vorteile:
1. Es ist gewährleistet, dass die Dual-Cure-Lackschicht auch im Bereich von
Schattenzonen im Falle der Aushärtung mittels UV-Lichtes erfolgt.
2. Es besteht die Möglichkeit, ein Substrat (Bauteil) komplett zu lackieren
und nachfolgend spezifische Zonen des Bauteils zu strukturieren (Einschichtlackierung)
3. Durch das Polyaddukt im Lacksystem wird eine besonders gute Haftung am Substrat
erreicht.
Eine beispielhafte Rezeptur für ein solches Lacksystem ist weiter
unten im Beispiel angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Werkzeug und insbesondere deren bevorzugte Ausführungsformen
umfassen vorzugsweise eine Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials
auf ein Substrat oder auf die Matrize. Mit einer solchen Vorrichtung ist es besonders
gut möglich, abhängig von den Eigenschaften des aushärtbaren Materials, das die
Mikrostruktur bilden soll (z.B. ein Lack), das Mikrostrukturieren auf den Aushärtprozess
des aushärtbaren Materials abzustimmen. So ist es möglich, das aushärtbare Material
auf die Matrize zu übertragen und es mittels der Matrize auf ein Substrat aufzubringen.
Alternativ kann es sinnvoll sein, das aushärtbare Material direkt auf das Substrat
aufzutragen und dann vorzugsweise zeitnah mit der Matrize in Berührung zu bringen.
In beiden Alternativen wird so zunächst eine mikrostrukturierbare Oberfläche (mittels
des aufgetragenen Materials) zur Verfügung gestellt. Unter zeitnah ist dabei in
diesem Text ein Zeitintervall zu verstehen, das kürzer ist als die jeweilige Aushärtungszeit
für das vollständige (nicht nur teilweise) Aushärten des jeweiligen aushärtbaren
Materials, das die Mikrostruktur bilden soll.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung der vorbeschriebenen
Werkzeuge zum Erzeugen einer mikrostrukturierten Oberfläche.
Die erfindungsgemäßen Werkzeuge (insbesondere in ihren bevorzugten
Ausführungsformen) eignen sich besonders für eine solche Verwendung, da mit ihnen
in einem kontinuierlichen Prozess große Flächen mikrostrukturiert werden können,
die auch doppelt gekrümmte Flächen umfassen können. Dies wird insbesondere ermöglicht
durch eine geeignete Auswahl des Matrizenmaterials und des Materials für die Andruckwalze.
Das Werkzeug ist darüber hinaus vorzugsweise so gestaltet, dass es den für das Mikrostrukturieren
benötigten Druck auf das aushärtbare Material durch sein Eigengewicht ausübt. Der
Druck kann jedoch auch durch eine zusätzlich aufgebrachte Kraft erzeugt werden.
Dieser Druck ist insbesondere notwendig, um die gegebenenfalls in der Grenzschicht
zwischen Werkzeug (Matrize) und mikrostrukturierbarem Material entstehenden Luftblasen
zu entfernen.
Dadurch, dass das erfindungsgemäße Werkzeug verfahrbar ist, ist es
möglich, durch die Wahl der Vorschubgeschwindigkeit vorteilhafte Präge- und/oder
Aushärtebedingungen für das jeweilig gewählte aushärtbare Material, das die Mikrostruktur
tragen soll, zu wählen. Dabei kann das Verfahren des Werkzeuges über die mikrostrukturierbare
Oberfläche kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Insbesondere bei Verwendung
eines geeigneten Matrizenmaterials ist darüber hinaus die Mehrfachverwendung des
Werkzeuges möglich, welches bevorzugt so gestaltet ist, dass die Matrize austauschbar
ist.
In bevorzugten Ausführungsformen des Werkzeuges lässt sich mittels
der Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens des aushärtbaren Materials gleichzeitig
der Aushärtprozess des aushärtbaren Materials durch das Werkzeug beeinflussen, insbesondere
bei Auswahl eines entsprechenden Matrizenmaterials durch Belichtung durch die Matrize
hindurch.
Darüber hinaus ist bei der erfindungsgemäßen Verwendung der Einsatz
von Lack- bzw. Harzsystemen als aushärtbares Material möglich, die nur unter Ausschluss
von Sauerstoff ausgehärtet werden können. Diese Harzsysteme sind technologisch den
Systemen, die auch an der Luft z.B. mit UV-Strahlung ausgehärtet werden können,
in mancherlei Hinsicht überlegen. Derartige Lack-Harzsysteme bilden insbesondere
folgende Vorteile:
– Kein Überschuss von Fotoinitiator ist notwendig, was einen Preisvorteil
darstellt und zu einer höheren Dauerhaftigkeit des Lack-Harzfilms führt.
– Es ist kein Überschuss von reaktiven Gruppen notwendig (z.B. Doppelbindung),
was die Möglichkeit zur Formulierung von wesentlich flexibleren und weniger spröden
Lack-Harzsystemen eröffnet.
– Durch Unterbinden der Sauerstoffinhibierung wird der Lack-Harzfilm im
Gegensatz zu herkömmlichen Techniken auch direkt an der Oberfläche nahezu komplett
vernetzt, was zu besserer Chemikalien- und Kratzbeständigkeit führt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen
einer wenigstens teilweise mikrostrukturierten Oberfläche, umfassend die Schritte:
a) Bereitstellen einer mikrostrukturierbaren Oberfläche,
b) Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Werkzeuges (bevorzugt in einer der
bevorzugten Ausgestaltungen),
c) Mikrostrukturieren der Oberfläche mittels des Werkzeuges.
Die bevorzugten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verwendung gelten
hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung eines
erfindungsgemäßen Werkzeuges durchgeführt, wobei eine Vorrichtung zum Beschleunigen
des Aushärtens des aushärtbaren Materials so angeordnet ist, dass sie beim Verfahren
der Andruckwalze über die Oberfläche deren Bewegung begleitet und auf einen (bevorzugt
bereits überfahrenen) Teil der Oberfläche einwirkt und damit die mikrostrukturierbare
Oberfläche aushärtet. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Mikrostruktur
in dem aushärtbaren Material nicht wieder verläuft.
Besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei dem das
Aushärten durch Durchstrahlen oder Erwärmen der Matrize erfolgt. Bei dieser Vorgehensweise
ist es möglich, die durch die Matrize erzeugte Mikrostruktur einer Oberfläche eines
durch Bestrahlung oder Erwärmung aushärtbarem Material in situ so auszuhärten, dass
kein Verlaufen mehr erfolgt.
Bevorzugt ist auch ein erfindungsgemäßes Verfahren, umfassend im Schritt
b) das Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Werkzeuges mit einer Vorrichtung zur
Aufbringung des aushärtbaren Materials auf ein Substrat oder auf die Matrize und
das Auftragen eines aushärtbaren Materials auf ein Substrat oder auf die Matrize
durch das Werkzeug, so dass gemäß Schritt a) eine mikrostrukturierbare Oberfläche
bereitgestellt wird.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die Verfahrgeschwindigkeit
und die Energie, die von dem besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Werkzeug zur
Aushärtung des aushärtbaren Materials in dieses eingebracht wird, optimal auf eben
dieses Material (bevorzugt ein Lacksystem) abgestimmt werden kann. Darüber hinaus
können Auftrag des aushärtbaren Materials (Bereitstellen der mikrostrukturierbaren
Oberfläche) und Mikrostrukturieren in einem einzigen Vorgang stattfinden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Gegenstand mit mehrfach
gekrümmter und im Bereich der Mehrfachkrümmung wenigstens teilweise mikrostrukturierter
Oberfläche, wobei die Mikrostruktur im Bereich der Mehrfachkrümmung mittels eines
erfindungsgemäßen Werkzeuges oder Verfahrens (insbesondere in den jeweilig bevorzugten
Ausführungsformen) erzeugt werden kann.
Ein solcher Gegenstand besitzt die Vorteile einer Mikrostruktur, auch
in mittels des Standes der Technik bislang nicht mikrostrukturierbaren Oberflächenbereichen
ohne aber die im Stand der Technik beschriebenen Nachteile zu besitzen, die insbesondere
mit der Verwendung von Folien einhergehen, die eine Mikrostruktur tragen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert.
Es stellen dar:
1 eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Werkzeuges, bei dem die Matrize als Endlosband um die Andruckwalze
läuft;
2 eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Werkzeuges, bei dem die Matrize als Endlosband um eine Andruck-
und eine weitere Walze (Abnehmerwalze) läuft;
3 eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Werkzeuges, bei dem die Matrize als Endlosband um die Andruckwalze
und zwei weitere Walzen läuft, von denen eine als Abnehmerwalze fungiert;
4 eine schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Werkzeuges, bei dem das Matrizenband von der Andruckwalze abgewickelt
und auf eine Abnehmerwalze aufgewickelt wird;
5 die schematische Darstellung eines
erfindungsgemäßen Werkzeuges, bei dem die Matrize von einer Walze abgewickelt wird,
über die Andruckwalze und eine Abnehmerwalze läuft und danach wieder aufgewickelt
wird;
6 das Transmissionsspektrum des im Beispiel
verwendeten Matrizenmaterials Elastosil EL M 4648;
7 die spektrale Bestrahlungsstärke der
im Beispiel verwendeten UV-Strahlungsquelle im Vergleich zu einem Standard-UV-Strahler.
Beispiele bevorzugter erfindungsgemäßer Werkzeuge (1
bis 5):
In den 1 bis 5
werden identische Bezugszeichen für Elemente verwendet, die einander in ihrer Funktion
im Wesentlichen entsprechen.
Das in 1 dargestellte Werkzeug umfasst
eine Andruckwalze 1, auf die als Endlosband eine Matrize 3 aufgebracht
ist. Innerhalb der Andruckwalze befindet sich eine Licht- und/oder Wärmequelle
5, die so angebracht ist, dass sich die von ihr emittierte Energie durch
das Andruckwalzenmaterial hindurch auf die Matrize zu übertragen vermag (im Falle
von Wärme) bzw. die die Matrize zu durchstrahlen vermag (im Falle von Licht). Im
letztgenannten Fall muss das Walzenmaterial für die von der Lichtquelle emittierte
Wellenlänge einen hohen Transmissionsgrad aufweisen.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Werkzeug, wie es in 2
dargestellt ist, umfasst eine Andruckwalze 1, eine Matrize 3,
die wiederum als Endlosband ausgestaltet ist und eine Walze 7, die gleichzeitig
als Abnehmerwalze fungiert. Bei einem Werkzeug dieser Anordnung kann ein Aushärtmittel
(z.B. eine Lichtquelle) innerhalb des umlaufenden oder oberhalb des umlaufenden
Matrizenbandes optional angebracht werden.
3 stellt ein erfindungsgemäßes Werkzeug
dar mit einer Andruckwalze 1, einer Matrize 3, einer Walze
7, die gleichzeitig als Abnehmerwalze fungiert und einer Walze
9 sowie einer Belichtungsquelle mit variabler Abstandseinstellung
5a (optional).
4 stellt eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Werkzeuges dar, bei dem eine bahnförmige Matrize
3 von Andruckwalze 1 abgerollt und auf eine Walze 7,
die gleichzeitig als Abnehmerwalze fungiert, aufgerollt wird.
5 stellt ein weiteres erfindungsgemäßes
Werkzeug dar, bei dem eine bahnförmige Matrize 3 von einer
(nicht dargestellten) Rolle oder dergleichen abgerollt, über eine Andruckwalze
1 geführt und von einer Abnehmerwalze 7 wiederum von der Oberfläche
abgenommen wird, bevor sie wiederum auf eine (nicht dargestellte) Rolle oder dergleichen
aufgerollt wird. Wie in 4 ist die Matrize nicht als
Endlosband gestaltet.
Die Verfahrrichtung entspricht der in der jeweiligen Figur dargestellten
Pfeilrichtung. Eine Vorrichtung zum Beschleunigen der Aushärtung des aushärtbaren
Materials (zum Teil nicht dargestellt) kann oberhalb oder zwischen den Walzen (wenn
mehr als eine vorhanden sind) optional angebracht werden. Die erfindungsgemäßen
Werkzeuge können auch so gestaltet sein, dass abhängig von der Verfahrrichtung jeweils
die selbe Walze als Andruck- oder Abnehmerwalze wirken kann.
Beispiel für Werkzeugherstellung und Verfahrensdurchführung
Für ein erfindungsgemäßes Werkzeug, das der Ausgestaltung gemäß
3 inklusive einer Belichtungsquelle mit variabler Abstandseinstellung
entspricht, wurde eine Matrize aus einem Material gemäß nachfolgendem Unterpunkt
a) als Endlosband wie nachfolgend unter b) beschrieben hergestellt: Das so hergestellte
Werkzeug wurde wie im Unterpunkt e) beschrieben eingesetzt, wobei mittels einer
UV-Lampe (beschrieben im Unterpunkt d) ein Lack mikrostrukturiert wurde (Lacksystem
vgl. Unterpunkt c)).
a) Material zur Herstellung der Matrize:
Es wurde eine zweikomponentige, auf Basis von Polyaddition aushärtende
Silikon-Abformmasse der Firma Wacker verwendet. Bei dieser handelt es sich um die
transparente 2K-Silikon-Abformmasse Elastosil EL M 4648 mit einem Mischungsverhältnis
von 10 zu 1 (Komponente A zu Komponente B) der Firma Wacker. Das Transmissionsspektrum
von Elastosil EL M 4648 ist in Ausschnitten in Tabelle 1 niedergelegt und findet
sich in der 6 im Vergleich zu der Abformmasse Elastosil
EL M 4644 der Firma Wacker abgebildet.
Tabelle 1: Transmissionsspektrum des Matrizenmaterials Elastosil
EL M 4648b) Herstellung der Matrize
Die Matrize sollte die bekannte, strömungsgünstige Mikrostruktur,
die bereits für Verkehrsflugzeuge erprobt ist, ausweisen. Zu diesem Zweck wurden
Negativ-Kopien einer Folie mit der erprobten Mikrostruktur angefertigt, indem diese
Folie mit dem oben angegebenen Silikonmaterial abgeformt wurde Um eine ausreichende
Abformung und geringe Rissneigung der Matrize zu gewährleisten, wurde die Matrizendicke
auf mindestens 1 mm eingestellt. Dabei wurde folgendermaßen vorgegangen:
– Die Original-Folie (mit der erprobten Mikrostruktur) wurde auf einem
ebenen Grund fixiert.
– Die oben genannte Silikon-Abformmasse wurde im erwähnten Mischungsverhältnis
angemischt und mittels dafür vorhergesehener Apparaturen (hier ein Vakuumdissolver)
entlüftet.
– Die Silikon-Abformmasse wurde auf die Original-Folie in der oben genannten
Schichtdicke aufgegeben.
– Die Aushärtzeit betrug mindestens 12 Stunden.
– Nach dem Aushärten wurde die so entstandene Silikonmatrize
3 von der Original-Folie abgezogen, zu einem Endlosband zusammengefügt
und zu einem Werkzeug mit den anderen Bestandteilen eines erfindungsgemäßen Werkzeuges,
wie in 3 schematisch abgebildet, zusammengefügt.
In einigen Fällen wurde die Silikonabformmasse mittels einer Vakuumvorrichtung
nach dem Auftragen der Abformmasse auf die Original-Folie entlüftet.
c) Aushärtbares Material
Für den speziellen Anwendungsfall wurde ein zweikomponentiges sogenanntes
Dual-Cure-Lacksystem entwickelt, also ein Lacksystem, das über zwei unterschiedliche
Aushärtungsmechanismen ausgehärtet werden kann:
Zum Aushärten der UV-empfindlichen Stoffkomponente des Dual-Cure-Lackes
wurde eine UV-Strahlungsquelle (5a) verwendet. Das Gerät
war so montiert, dass der Austritt von UV-Licht und Ozon minimiert war. Die Strahlungsquelle
besteht aus einer Quecksilberdampf-Metall-Halogenidlampe, die im Betrieb ultraviolettes
Licht im A-, B- und C-Bereich ausstrahlt. Das UV-Licht wurde durch mehrere Reflektoren
umgelenkt und auf ein Lichtspektrum im UV-Bereich von 200 bis 400 nm selektiert,
bevor es austrat. Die unerwünschten Anteile der Energie von sichtbarem und infrarotem
Licht von 400 bis 4000 nm wurden über das Kühlgehäuse abgeführt. 7
stellt die spektrale Bestrahlungsstärke der verwendeten UV-Strahlungsquelle (5a)
im Vergleich zu einem Standard-UV-Strahler dar. Die maximale Intensität der verwendeten
UV-Lampen betrug 4kW, die Wellenlängenverteilung des eingesetzten UV-Lichtes: 200
bis 400nm.
e.) Mikrostrukturieren einer Oberfläche eines Substrates
und Aushärten mittels des Werkzeuges:
Der erwähnte Dual-Cure-Lack wurde mit einer durchschnittlichen Schichtdicke
von ca. 70 &mgr;m auf das Substrat ein mit Epoxyprimer versehenes, chromsäureanodisiertes
Aluminiumblech der Größe 10 × 20 cm aufgetragen. Dadurch war die Lackschichtdicke
größer als die Tiefe der zu erzeugenden Mikrostruktur. Nach dem Auftragen des Lackes
wurde das Werkzeug auf die Lackschicht (Oberfläche) gelegt und die Luft durch leichten
Druck aus der Zwischenschicht entfernt. Anschließend wurde der Lack durch das Werkzeug
mittels des UV-Lichtes ausgehärtet, wobei das UV-Licht aus der UV-Lichtquelle austrat
und durch die Matrize hindurch auf den auszuhärtenden Lack traf. Die UV-Lampe wurde
mit maximaler Intensität betrieben (4kW) und das Werkzeug mit einer Verfahrgeschwindigkeit
von v = 1,4 m/min über die mikrostrukturierbare Oberfläche entsprechend der Pfeilrichtung
in 3 verfahren. Bedingt durch die kontinuierliche Fortbewegung
des gesamten Werkzeuges und die an der Walze 7 auftretenden Scherwirkungen
wurde die Matrize nach der Aushärtung sofort von der Lackschicht entfernt. Bei Einsatz
von Gummiwalzen (1, 7, 9) war es möglich, auch mehrfach
gekrümmte Oberflächen zu mikrostrukturieren.
Anspruch[de]
Werkzeug zum Erzeugen einer mikrostrukturierten Oberfläche, umfassend:
– eine Matrize mit einem Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur,
– eine über eine Oberfläche verfahrbare Andruckwalze zum Andrücken der Matrize
an die Oberfläche,
wobei
Andruckwalze und Matrize so angeordnet sind, dass beim Verfahren der Walze über
die Oberfläche die Matrize in einer rollenden Bewegung zwischen Walze und Oberfläche
gelangt, so dass das Negativ der Matrize der Oberfläche zugewandt ist, und
eine Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens eines aushärtbaren Materials so
angeordnet ist, dass sie beim Verfahren der Andruckwalze über die Oberfläche deren
Bewegung begleitet und auf einen Teil der Oberfläche einwirkt.
Werkzeug nach Anspruch 1, wobei das die Matrize bildende Material eine
Shore-Härte von 25 bis 40 besitzt.
Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Walze so eingerichtet ist,
dass sie beim Verfahren des Werkzeuges über die Oberfläche die Matrize wieder abnimmt.
Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung
zum Beschleunigen des Aushärtens eine Lampe und/oder eine Heizeinrichtung zum Bestrahlen
und/oder Beheizen der mikrostrukturierbaren Oberfläche umfasst.
Werkzeug nach Anspruch 4, wobei die Lampe eine UV-Lichtquelle ist.
Werkzeug nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Vorrichtung zum Beschleunigen
des Aushärtens so angebracht ist, dass das Aushärten des aushärtbaren Materials
auf der mikrostrukturierbaren Oberfläche durch Durchstrahlen oder Erwärmen der Matrize
erfolgt.
Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Werkzeug
eine Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials auf ein Substrat oder
auf die Matrize umfasst.
Verwendung eines Werkzeuges nach einem der vorangehenden Ansprüche
zum Erzeugen einer mikrostrukturierten Oberfläche.
Verfahren zum Erzeugen einer wenigstens teilweise mikrostrukturierten
Oberfläche, umfassend die Schritte:
a) Bereitstellen einer mikrostrukturierbaren Oberfläche,
b) Bereitstellen eines Werkzeuges nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
c) Mikrostrukturieren der Oberfläche mittels des Werkzeuges.
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend im Schritt b) das Bereitstellen
eines Werkzeuges nach Anspruch 3 und eine Aushärtung des aushärtbaren Materials
auf der mikrostrukturierbaren Oberfläche durch das Werkzeug.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Aushärtung durch Durchstrahlen
oder Erwärmen der Matrize erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, umfassend im Schritt
b) das Bereitstellen eines Werkzeuges nach Anspruch 7 und das Auftragen eines aushärtbaren
Materials auf ein Substrat oder auf die Matrize durch das Werkzeug, so dass gemäß
Schritt a) eine mikrostrukturierbare Oberfläche bereitgestellt wird.
Gegenstand mit mehrfach gekrümmter und im Bereich der Mehrfachkrümmung
wenigstens teilweise mikrostrukturierter Oberfläche, wobei die Mikrostruktur im
Bereich der Mehrfachkrümmung mittels eines Werkzeuges nach einem der Ansprüche 1
bis 7 oder Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 12 erzeugt werden kann.
