CN1437528A - 冲压模、使工件表面形成构造的方法和阳极氧化表面层的应用 - Google Patents

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Abstract

推荐一种冲压模、一种制造该冲压模的方法、一种使工件表面形成构造的方法和阳极氧化表面层的应用，通过将具有通过阳极氧化无样件地形成的空腔的表面层用作模具的方法简单、成本低廉地进行纳米级的冲压。

Description

冲压模、使工件表面形成构造的方法和 阳极氧化表面层的应用
本发明涉及一种具有形成构造的冲压面的冲压模、用来制造具有形成构造的冲压面的冲压模的方法，用来使工件表面形成构造的方法和一种带有开口空腔的通过阳极氧化设置的表面层的应用。
该冲压是一种成形加工方法，用以在工件上产生浮雕形的或形成构造的表面。这里应用一种带有形成凹凸轮廓的或者说形成构造的冲压面的冲压模。该冲压面这样以一种冲压力压在工件待形成构造的表面上或在表面上滚压，使工件变成塑性的，并流入冲压模或者说冲压面的凹坑内。由于冲压力很大，冲压模和冲压面通常由金属制成。
带有非常精细的形成构造的或形成凹凸轮廓的冲压面的冲压模的制造成本很高。为了形成纳米级的所谓“虫眼结构”规则设置的、蛋盒形的凸起-或精细的筋条，由实践得知，通过应用两个干涉激光束使用一具有周期强度调制的照射构造，来照射光敏材料。在照射过的材料显影以后形成一周期的表面结构，它通过不同的成形方法成形在其他材料上，最后通过电铸成形成形在例如镍币上。这种类型的制造成本非常高，并且只适合用于平面形表面的形成构造。
在本发明中纳米级理解为具有小于1000nm，特别是小于500nm的构造宽度的凹凸轮廓或构造。该构造宽度表示这样的尺寸，即单个构造元素，如凸起，以这个尺寸不断重复，也就是说例如相邻的凸起或相邻的凹坑相互之间的中心距。
在纳米范围内用来使冲压模的冲压面形成构造的平版印刷法只有在非常严格的条件下才能应用。这里必须考虑，仅仅可见光的波长就已经为400至750nm。在任何情况下平版印刷法的成本都非常高。
DE 19727132 C2公开了通过电解成型制造冲压模的方法。在电成型时冲压模的金属冲压面进行电介加工，其中冲压面的金属作为阳极在快速流动的电介液中以小的间距位于阴极的对面，并且表面被溶解。在这里金属或者说冲压面得到由阴极的形状确定的构造，也就是说阴极构成一样件，它被电化学成形。另外DE 19727132 C2设想采用一种轧辊形的旋转电极，其外壳面具有所希望冲压的构造的反轮廓。这里成本也很可观，并且形成纳米级的构造同样只有在某些条件下才有可能。
本发明的目的是提供一种冲压模及一种制造冲压模的方法，在工件表面上形成构造的方法和一种带有开口空腔的通过阳极氧化设置的表面层的应用，其中可以用简单和经济的方法形成纳米级的构造。
上述目的通过按权利要求1的冲压模、通过按权利要求10或15的方法或通过按权利要求17的应用来实现。有利的改进结构是从属权利要求的内容。
本发明一个主要的想法是，采用多孔氧化层，而且特别是具有开口空腔的表面层作为冲压模的冲压面，这种表面层通过阳极氧化直接地或者说没有样件地由阴极模形成。这带来很多优点。
首先，氧化层，特别是优选考虑的氧化铝，比较硬。鉴于冲压力常常很大，为了能够冲压不同材料的工件并使冲压模达到长的寿命，这是有利的。
第二，没有样件地氧化可以非常简单和经济地实现。特别是空腔的产生(几乎)与所用的阴极的形状和结构无关，也就是说不需要样件或者说阴模，就像在电成型时那样。
第三，所设想的通过阳极氧化无样件地形成开口空腔使得可以用非常简单和成本低廉的方法制造纳米级的构造。特别是可以制造500nm和更小，甚至100nm和更小的构造宽度。
第四，根据所选择的工艺条件的不同可以按需要改变空腔的布局-规则的或不规则的-和面密度。
第五，同样通过改变工艺条件-特别是通过改变在阳极氧化时的电压-可以调整和改变冲压面的空腔形状，从而改变其构造。
第六，阳极氧化表面层可以直接地，也就是说不用再成形，用作冲压模的冲压面。
本发明其它的优点、性能、特征和目标由下面借助于附图对一个优选的实施例的说明得到。该唯一的附图表示：
-所推荐的冲压模和用它形成构造的工件的大大简化的剖视图。
该附图以大大简化的剖视图表示具有一形成构造的，也就是形成凹凸轮廓的或者说浮雕形的冲压面2的所推荐的冲压模1。冲压面2由一表面层3的平的侧面构成，该表面层设有开口的、通过阳极氧化产生的空腔4。
在所示例子中表面层涂覆在冲压模1的基体5上。例如表面层3通过等离子涂覆涂在基体5上。但是表面层3也可以直接由基体5构成，亦即是基体5的一个表面区。
当然表面层3也可以通过其它方法沉积在基体5上。
在示例中表面层3优选由铝制成，它特别是通过等离子涂覆涂在基体5上，并良好地附着在由金属、特别是铁或钢制成的基体5上。
表面层3至少局部地，在示例中直至顶层6的深度阳极氧化，由此直接在表面层3上形成空腔4。空腔4直接地或者说无样件地形成，也就是说空腔4的结构、布置、形状等等-与电成形不同-至少基本上与氧化时所用的(未画出)阴极的表面形状和远近无关。而是按照本发明充分利用“整流作用”，也就是在表面层3氧化或阳极氧化时-至少特别是在所谓的单向导电性金属-中出现自动形成空腔4。但是这种直接的或者说无样件的空腔4的形成并不排除通过阴模附加地(事前或事后)使冲压面2或空腔4成型或形成构造。
根据表面层3氧化得多完整或者说多深，或者表面层3是否直接由基体5构成，表面层3可以相应于氧化的顶层6。在这种情况下可以例如取消在示例中由铝制成的、促使顶层6和基体5之间非常好地附着的中间层7。
例如按照一种实施方案未涂覆的基体5可以在其构成冲压面2的表面上阳极氧化，形成一多孔的氧化层和空腔4。这例如在由铁或钢，特别是高级合金钢制成的基体5时是可以的。在这种情况下表面层3相当于顶层6，也就是氧化层。
作为特别优先的材料已经提到了铝和铁或钢，特别是高级合金钢，这种材料至少主要用来形成阳极氧化的表面层3或者说顶层6。但是也可以采用例如硅和钛以及其他单向导电性金属。
在示例中尺寸比例没有按比例真实画出。
冲压模1或其冲压面2优选具有一纳米级的构造密度S，特别是30至600nm，优选是50至200nm。
空腔4和其开口具有一基本上为10至500nm，尤其是15至200nm，特别是20至100nm的平均直径D。
在示例中空腔4做成基本上是细长的，其深度T最好至少为上述平均直径D的0.5倍，特别是约为该直径D的1.0至10倍。
这里空腔4至少做成基本上形状相同的、特别是做成基本上圆柱形的。但是空腔4也可以具有与此不同的形状，例如基本上做成圆锥形的。
一般来说空腔4也可以具有沿其深度T在形状和/或直径方面不同的横截面。此外空腔4可以作为粗构造例如分别做成基本上圆锥形的，并且为了沿其壁形成细构造各自例如设置许多细的凹坑(小空腔)。
尤其是空腔4在表面层3的表面上或冲压面2上至少基本上规则分布。但是也可以考虑不规则分布。
该空腔和其开口最好以109至1011/cm2的面密度分布在冲压面2上。在示例中该面密度在冲压面2上基本上是恒定的。但是根据需要该面密度在冲压面2上也可以按区域变化。
空腔4的开口的面积最好最多为冲压面2的延伸面积的50％。鉴于在冲压时出现很大的应力，通过这种方法达到冲压面2或表面层3/顶层6的足够高的稳定性和承载能力。
一般来说空腔4的形状、布置、面密度等等可以通过相应地选择阳极氧化时的工艺条件来控制。例如在铝氧化时在静电位条件下-也就是说在电压至少基本上不变的情况下-空腔4在其深度T上达到至少基本上均匀的横截面，也就是说至少达到至少基本上圆柱形的形状。相应地可以通过改变电压来控制空腔4的形状。例如恒电流氧化-即在电流至少基本上保持不变时-造成大致成圆锥形的或山丘形的空腔4，因此用这种方法可以形成一类“虫眼结构”之类的结构。此外空腔4的面密度，即冲压面2单位面积上的空腔4数，取决于阳极氧化时的电压和电流。
在必要时空腔4在其形状、深度和/或在冲压面2上的面密度，可以特别是按区变化的和/或只在冲压面2的局部区域上形成空腔4。
在必要时冲压面2也可以在氧化-也就是产生空腔4-的前和/或后例如通过平版印刷法、酸洗和/或其他的，尤其是材料切除的方法修改，以便在冲压面上产生例如轨道、接片、带或不带空腔4的区域、大面积凸起或凹陷等形状的粗结构。
为了修整冲压面2或空腔4也可以进行化学扩大，特别是通过局部酸蚀去除氧化材料。用这种方法可以改变或扩大空腔4的开口面积与冲压面2的延展面积的面积比。当然通过这种方法也可以对冲压面2或空腔4进行其他修整-根据作用时间和强度的不同。
该所推荐的方案的特别的优点是，冲压面2也可以做成弯曲的-例如圆柱形的-或拱起的-例如透镜形或半球形的。特别是冲压面2实际上可以具有任意的形状。也就是说与现有技术不同，不要求冲压面2或表面层3/顶层6的表面至少基本上是平面形的。
其次该附图示出了一工件8，同样以大大简化的、尺寸比例不准的剖视图表示，在已经冲压好的状态，也就是说带一已经通过冲压模1形成构造的表面9。该冲压特别是通过冲压模1以相应的冲压力压在工件8的待形成构造的表面9上的方法进行，使得工件8的材料至少部分流入空腔4内。这里不要求工件8像该附图中示意表示的那样做成一体。而是工件8也可以具有一个未画出的，不同的表面层或表面涂层等等，它构成表面9并借助于冲压模1形成构造或做成浮雕形。
代替冲头形的冲压也可以在冲压面2和/或待形成构造的表面9的相应的结构造型/形状时进行冲压模1的滚压。例如冲压面2和/或待形成构造的表面9可以做成弯曲的-例如圆柱形的-或拱起的，以便可以相互滚压，以使表面9形成构造。
也就是说用该所推荐的方案既可以实现冲压法，也可以实现滚压法。
此外用该所推荐的方案既可以实现空心冲压，也可以实现实心冲压或者说模压印。出于简化的原因没有画出用于工件8的相应支座或相应的对应模具。
所推荐的冲压模1可以使工件8或其表面9形成非常精细的构造。在必要情况下工件8或其表面9也可以首先用一形成粗构造的一在某些情况下也可以用迄今为止常用的方法制造的一种压模，接着用形成细构造的、所推荐的冲压模1多次形成凹凸轮廓或者说形成构造。这里特别是在用较细的冲压模1进行第二次冲压时使用较小的冲压力，和/或在一中间工序内使表面9硬化，以使在第一次冲压时产生的粗构造不致完全消失，而是达到两个冲压模的粗构造和细构造的叠加。这样例如可以在工件8的表面9上产生具有许多比较小的、例如在10至400nm范围内的凸台的在0.1至50μm范围内的比较大的凸起。
该所推荐的方法可以用非常简单、成本低廉的方法在表面9上形成非常精细的构造。因此得到非常广泛的应用。例如这种特别是非常精细的构造可用在抗反射层中，以改变形成构造的表面的辐射，用在传感器技术中、催化器中、自清洁表面中，用来改善表面的可湿润性等等。特别是所推荐的方法还延伸到具有形成构造的表面9的工件8的对于上述目的的应用，其中表面9借助于所推荐的冲压模1形成构造。
该所推荐的方案特别适用于冲压塑料-例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、聚四氟乙烯等等-，金属-例如金、银、铂、铝、铟、镉、锌等等-、聚合物涂层-例如油漆、染料等等-和无机涂覆系统等等。
广而言之，本发明的一个主要方面是，具有通过阳极氧化直接或无样件地形成的空腔的表面层用作阴模和阳模，以便可以形成纳米级的表面构造。

Claims (18)

1.具有形成构造的冲压面(2)的冲压模(1)，
其特征为：
冲压面(2)由具有开口的，通过阳极氧化无样件地产生的空腔(4)的阳极氧化层(3)或顶层(6)构成。
2.按权利要求1所述的冲压模，其特征为：
空腔(4)具有带一尤其是至少基本上一致的10至500nm，尤其是15至200nm，特别是20至100nm的平均直径(D)的开口面积。
3.按权利要求1或2所述的冲压模，其特征为：冲压面(2)的构造宽度(S)基本上为30至600nm，特别是50至200nm。
4.按上述权利要求之任一项所述的冲压模，其特征为：空腔(4)具有一深度(T)，它至少为空腔(4)的平均直径(D)的0.5倍，特别是大于空腔(4)的平均直径(D)。
5.按上述权利要求之任一项所述的冲压模，其特征为：空腔(4)至少基本上做成圆锥形。
6.按上述权利要求之任一项所述的冲压模，其特征为：空腔(4)在其形状、深度和/或在冲压面(2)上的面密度方面特别是按区域改变的和/或仅仅在冲压面(2)的部分区域上形成。
7.按上述权利要求之任一项所述的冲压模，其特征为：冲压面(2)既具有细的又具有粗的构造。
8.按上述权利要求之任一项所述的冲压模，其特征为：冲压面(2)是弯曲的，尤其是拱起的。
9.按上述权利要求之任一项所述的冲压模，其特征为：带空腔(4)的表面层(3)或顶层(6)至少基本上由氧化铝、氧化硅、氧化铁、氧化的钢和/或氧化钛制成。
10.用来制造具有形成构造的冲压面(2)的冲压模(1)的方法，
其特征为：
构成用来无样件地产生开口空腔(4)的冲压模(1)的表面层(3)或顶层(6)的冲压面至少局部阳极氧化。
11.按权利要求10所述的方法，其特征为：表面层(3)或顶层(6)恒电位氧化。
12.按权利要求10所述的方法，其特征为：表面层(3)或顶层(6)以变化的电压，特别是恒电流氧化。
13.按权利要求10至12之任一项所述的方法，其特征为：铝、硅、铁、钢和/或钛被氧化。
14.按权利要求10至13之任一项所述的方法，其特征为：冲压面(2)在氧化前和/或后特别是通过平版印刷法，酸蚀和/或其他尤其是切除材料的方法修整，以产生特别是粗构造。
15.借助于具有形成构造的冲压面(2)的冲压模(1)使工件(8)的表面(9)形成构造的方法，
其特征为：
借助于按权利要求1至9之任一项所述的冲压模(1)使待形成构造的表面(9)形成构造，其中冲压模(1)的冲压面(2)以最好是预先规定的冲压力压在待形成构造的表面(9)上，和/或在它上面滚动。
16.按权利要求15的方法，其特征为：表面(9)首先在第一步骤中借助于第一冲压模(1)形成粗的构造，接着在第二步骤中，特别是用较小的冲压力和/或特别是在表面(9)尤其是化学硬化以后借助于第二冲压模(1)形成细的构造。
17.特别是按权利要求1至9之任一项所述的冲压模(1)的，具有开口空腔(4)的通过阳极氧化直接设置的表面层(3)或顶层(6)的应用，其特征为：
带有空腔(4)的表面层(3)或项层(6)用作用来使工件(8)的表面(9)形成构造的冲压面(2)。
18.按权利要求17所述的应用，其特征为：表面层(3)或顶层(6)至少基本上由氧化铝、氧化硅、氧化铁、氧化的钢和/或氧化钛构成。
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