Wie
erwähnt
steht die vorliegende Erfindung jedoch in besonders engem Zusammenhang
mit den Veröffentlichungen
WO 2005/030472 sowie
DE
103 46 124 A1 bzw. B4. Die besagten Dokumente offenbaren
bereits Werkzeuge und Verfahren der eingangs genannten Art. Die
offenbarten Werkzeuge und Verfahren erwiesen sich jedoch in der
Praxis als noch nicht optimal ausgestaltet, und es war deshalb die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bereits aus den besagten
Dokumenten bekannten Verfahren und Werkzeuge weiter zu optimieren.
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gemäß einem
primären
Aspekt gelöst
durch ein Werkzeug zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter
Außenfläche auf
einer Substratoberfläche, umfassend:
- – eine
Bahn einer elastischen Matrize (elastische Matrizenbahn) mit einem
Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur,
- – eine über eine
Oberfläche
verfahrbare Andruckwalze mit einer Andrückfläche zum elastischen Andrücken der
Matrizenbahn mit der das Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur
umfassenden und gegebenenfalls aushärtbares Material tragenden
Seite an die Substratoberfläche,
wobei
Andruckwalze und Matrizenbahn so angeordnet sind, dass beim Verfahren
der Walze über
die Oberfläche
die Matrizenbahn, gegebenenfalls mit dem darauf aufgetragenem aushärtbaren
Material, in einer rollenden Bewegung zwischen Walze und Oberfläche gelangt,
so dass das Negativ auf der Matrizenbahn der Substratoberfläche zugewandt
ist.
Besonders
bevorzugt ist dabei ein erfindungsgemäßes Werkzeug, wobei (i) im
Betriebszustand zumindest auf einem Abschnitt der Bahnseite der
elastischen Matrize, welche das Negativ der zu erzeugenden Grundstruktur
trägt,
das aushärtbare Material
aufgetragen ist und (ii) die Andruckwalze so eingerichtet ist, dass
sie die Matrizenbahn mit der das Negativ der zu erzeugenden Grundstruktur
umfassenden und das aushärtbare
Material tragenden Seite an die Substratoberfläche elastisch andrücken kann.
Bei einer solchen bevorzugten Ausgestaltung sind Andruckwalze und
Matrizenbahn so angeordnet, dass beim Verfahren der Walze über die
Oberfläche die
Matrizenbahn mit dem darauf aufgetragenen aushärtbaren Material in einer rollenden
Bewegung zwischen Walze und Oberfläche gelangt, so dass das Negativ
auf der Matrizenbahn der Substratoberfläche zugewandt ist.
Ein
solches Werkzeug ist im oben genannten Stand der Technik nicht offenbart.
Das
erfindungsgemäße Werkzeug,
insbesondere in seiner bereits erläuterten bevorzugten Ausgestaltung
ist besonders gut geeignet, eine Schicht mit mikrostrukturierter
Außenfläche auf
eine Substratoberfläche
aufzubringen. Bei der Substratoberfläche kann es sich insbesondere
um die Oberfläche
unflexibler Werkstoffe handeln und die Substratoberfläche kann
auch sehr großflächig sein.
Insbesondere
geeignet ist das erfindungsgemäße Werkzeug
(insbesondere in seiner bevorzugten Ausgestaltung) zum Erzeugen
einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, wobei
das Substrat ein Bestandteil eines Schiffes, eines Unterseebootes,
eines Flugzeuges, eines Landfahrzeuges (z. B. Automobil oder Schienenfahrzeug),
eines Rotorblattes, einer Pipeline oder eines Architekturbauwerkes
(z. B. eines Fassadenbauelementes) ist.
Dabei
ist unter „Erzeugen
einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche" die Erzeugung einer Schicht mit einer
Oberflächentopographie
zu verstehen, die eine Struktur mit Amplitudenmaxima umfasst, die
voneinander einen Abstand im Bereich von 10 nm bis < 1 mm, bevorzugt
60 μm bis
200 μm besitzen.
Die
genannte Topographie wird dabei durch Formen, insbesondere Prägen des
aushärtbaren
Materials mittels der das Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur
tragenden Matrizenbahn und nachfolgendes Aushärten des aushärtbaren
Materials erzeugt.
Unter
einer „über eine
Oberfläche
verfahrbaren Andruckwalze" ist
eine Andruckwalze zu verstehen, deren Schwerpunkt eine Bewegung
auf einer (Substrat-) Oberfläche
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. Die Walze selbst hat dabei
aber keinen Kontakt mit der Subtratoberfläche, da beim Verfahren der Walze
die Matrizenbahn, vorzugsweise mit dem darauf aufgetragenen aushärtbaren
Material, in einer rollenden Bewegung zwischen Walze und Oberfläche gelangt,
so dass das Negativ auf der Matrizenbahn der Substratoberfläche zugewandt
ist und sich vorzugsweise (im Betriebszustand) zwischen Matrizenbahn
und der Substratoberfläche
das aushärtbare
Material befindet.
Unter „Aushärten" ist im Rahmen dieses
Textes ein wenigstens teilweises Aushärten zu verstehen. Vorzugsweise
wird erfindungsgemäß zumindest so
weit ausgehärtet,
dass eine Mikrostruktur auf der Außenfläche eines (zuvor „aushärtbaren") Materials so fixiert
(stabilisiert) wird, dass sie in Abwesenheit mechanischer Einflüsse bei
25°C ihre
Form behält, d.h.
insbesondere nicht verfließt.
Die
in einem erfindungsgemäßen Werkzeug vorhandene
Bahn der elastischen Matrize (auch „Matrizenbahn" genannt) ist dabei
nicht fest mit der Andruckwalze des erfindungsgemäßen Werkzeuges verbunden,
sondern ist vorzugsweise von dieser zerstörungsfei abnehmbar; sie kann
aber stramm auf diese aufgezogen sein.
Ausgehend
von einem Werkzeug, wie es in den Veröffentlichungen WO 2005/030472
sowie
DE 103 46 124
A1 bzw. B4 offenbart ist, haben sich einige Ausgestaltungen
als besonders vorteilhaft erwiesen. Nachfolgend werden besonders
bevorzugte Ausgestaltungen textlich nacheinander dargestellt. Dabei
ist jedoch zu beachten, dass eine Kombination bevorzugter Ausgestaltungen
zu besonders bevorzugten Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Werkzeuges
führt.
Dies gilt insbesondere für
die Kombinationen, welche sich aus den beigefügten Zeichnungen und den Patentansprüchen ergeben. Ganz
besonders bevorzugte Kombinationen von Ausgestaltungen werden in
der nachfolgenden Beschreibung explizit angegeben.
1. Elastizität der Andruckwalze;
Einstellen der Andruckkräfte;
weitere Eigenschaten der Andruckwalze
In
eigenen Untersuchungen hat sich gezeigt, dass insbesondere zur Erzeugung
einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer (mehrfach) gekrümmten Substratoberfläche die
Anforderungen an das erfindungsgemäße Werkzeug sehr hoch sind, insbesondere
wenn die zu erzeugende Mikrostruktur nur sehr geringe Abweichungen
von der Sollform aufweisen soll.
Bevorzugte
erfindungsgemäße Werkzeuge umfassen
deshalb Mittel zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der
beim elastischen Andrücken
der Mat rizenbahn mit der das Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur
umfassenden und vorzugsweise bereits das aushärtbare Material tragenden Seite
auf eine Substratoberfläche
wirkenden Andruckkräfte.
Derartige Mittel bestehen in einem einfachen Falle lediglich aus
einer federnden Lagerung für die
Andruckwalze, wobei die Federkraft der Lagerung eingestellt, gesteuert
bzw. geregelt werden kann, die Mittel können jedoch alternativ auf
beliebige andere Weise gestaltet sein, sofern sie das Einstellen,
Steuern bzw. Regeln der Andruckkräfte gestatten. Z. B. kann das
Werkzeug insgesamt mittels eines Roboters an die Substratoberfläche angedrückt und über diese
verfahren werden, wobei insbesondere die Andruckkräfte über die
Robotersteuerung präzise
eingestellt werden können.
Besonders
vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der die Andruckwalze eines
erfindungsgemäßen Werkzeuges
elastisch ist. Insbesondere in Kombination mit den vorzugsweise
vorhandenen Mitteln zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln
der beim elastischen Andrücken
wirkenden Andruckkräfte
ist es bei Einsatz einer elastischen Andruckwalze – in Kombination
mit der erfindungsgemäß vorhandenen
elastischen Matrizenbahn – besonders
gut möglich,
eine Mikrostruktur mit besonders geringer Abweichung von der Sollform
zu erreichen.
Bevorzugt,
insbesondere im Zusammenhang mit dem in diesem Text beschriebenen
Matrizenmaterial, ist ein (Oberflächen-)Material für die Andruckwalzen,
dessen Shore A-Härte
im Bereich von 20–60
liegt. Insbesondere in Fällen,
in denen die Andruckwalze nicht gasgefüllt ist (zu gasgefüllten Andruckwalzen
siehe sogleich), hat es sich in eigenen Untersuchungen als vorteilhaft
erwiesen, als Material für
die Andruckwalze einen Polyurethanschaum zu wählen, dessen Shore A-Härte in dem
oben angegebenen Bereich liegt.
In
eigenen Untersuchungen haben sich insbesondere Andruckwalzen (insbesondere
solche aus Polyurethanschaum) bewährt, deren Weichheit bzw. Elastizität sich wie
folgt beschreiben lässt: Eindruckhärte (bestimmt
gemäß DIN EN
ISO 2439):
25% | 155–205 N/322
cm2 |
40% | 175–255 N/322
cm2 |
75% | 330–450 N/322
cm2 |
Stauchhärte |
|
(bestimmt
gemäß DIN EN
ISO 3386-1): |
4,0–6,0 Kpa
(bei 40%) |
Druckverformungstest |
|
(bestimmt
gemäß DIN EN
ISO 1856): |
3,5–4,5% max.
(bei 75%) |
Der
Durchmesser der in einem erfindungsgemäßen Werkzeug vorhandenen Andruckwalze liegt
vorzugsweise im Bereich von 10–50
cm, wobei ein Durchmesser im Bereich von 10–20 cm wiederum bevorzugt ist.
Die Andruckwalze besitzt vorzugsweise eine Länge im Bereich von 20–200 cm,
abhängig vom
jeweiligen Einsatzzweck.
Vorzugsweise
ist eine (elastische) Andruckwalze eines erfindungsgemäßen Werkzeuges
(z. B. nach Art eines pneumatischen Reifens) gasgefüllt und
(a) ihre auf die Matrizenbahn wirkende Außenfläche und/oder (b) ihre Elastizität sind durch
die Mittel zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der beim
elastischen Andrücken
lokal wirkenden Andruckkräfte
veränderbar.
Insbesondere bevorzugt ist es in einem solchen Fall, wenn die Mittel
zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der beim elastischen
Andrücken
lokal wirkenden Andruckkräfte eine
Einrichtung zum Einstellen, Steuern bzw. Regeln des Gasdrucks innerhalb
der (pneumatischen) Andruckwalze umfassen. Dem Fachmann ist klar, dass
bei geringem Gasdruck innerhalb der Andruckwalze die auf die Matrizenbahn
wirkende Andruckfläche
(Auflagefläche)
der Andruckwalze regelmäßig ebenfalls
gering ist und bei hohem Gasdruck innerhalb der Andruckwalze auch
die Andruckfläche
(Auflagefläche)
groß ist.
Dem Fachmann ist zudem klar, dass der Gasdruck innerhalb der Andruckwalze
regelmäßig eine
unmittelbare Auswirkung auf deren Elastizität besitzt. Werkzeuge mit einer
Andruckwalze, deren auf die Matrizenbahn wirkende Andruckfläche in der
Breite veränderbar
ist, sind insbesondere bevorzugt, da sie es gestatten, eine Substratoberfläche mit
einer Schicht (mit mikrostrukturierter Außenfläche) zu versehen, deren Breite
variiert.
Auf
diese Weise kann auf bauliche Gegebenheiten der Substratoberfläche selbst
Rücksicht
genommen werden.
Alternativ
oder in Kombination mit den vorstehend erläuterten Ausgestaltungen ist
ein erfindungsgemäßes Werkzeug
vorzugsweise so gestaltet, dass die Andruckwalze quer zur Rollrichtung
in zwei, drei oder mehr Segmente unterteilt ist, wobei die Segmente
relativ zueinander beweglich sind, so dass sie in einem ersten Betriebszustand
so zueinander angeordnet werden können, dass die Andruckfläche gemeinsam
von sämtlichen
Segmenten gebildet wird und in einem zweiten Betriebszustand so
zueinander angeordnet werden können,
dass ein, zwei oder mehr Segmente nicht zur Bildung der Andruckfläche beitragen.
Auch
eine solche Ausgestaltung erlaubt eine besonders gute Rücksichtnahme
auf die Gegebenheiten einer Substratoberfläche, welche mit einer Schicht
mit mikrostrukturierter Außenfläche auszurüsten ist.
2. Vorrichtung zum Beschleunigen
des Aushärtens des
aushärtbaren
Materials:
Wie ähnlich bereits
in den genannten Dokumenten WO 2005/030472,
DE 103 46 124 A1 und B4 für das dort
offenbarte Werkzeug ausgeführt,
ist es generell vorteilhaft, wenn ein erfindungsgemäßes Werkzeug
eine Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens des aushärtbaren
Materials umfasst. Dabei ist die Vorrichtung vorzugsweise so angeordnet, dass
sie beim Verfahren der Andruckwalze über die Oberfläche deren
Bewegung begleitet, vorzugsweise nachfolgt, und – vorzugsweise durch die Matrizenbahn
hindurch – auf
einen Teil der Oberfläche
oder – vorzugsweise – des dort
applizierten aushärtbaren Materials
einwirkt.
Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens eine Strahlungsquelle
für elektromagnetische
Strahlung und/oder eine Heizeinrichtung zum Bestrahlen und/oder
Beheizen des aushärtbaren
Materials umfasst; das Vorhandensein einer Strahlungsquelle für elektromagnetische
Strahlung ist besonders bevorzugt. Alternativ kann die Vorrichtung
zum Beschleunigen des Aushärtens
eine Einrichtung zur Erzeugung eines Wechselmag netfeldes sein, z.
B. um eine Induktionshärtung
durch im aushärtbaren
Material (insbesondere einem Lack) enthaltene spezielle Nanoferrite
zu ermöglichen
(cure on demand). Weiter alternativ kann die Vorrichtung zum Beschleunigen
des Aushärtens
dazu eingerichtet sein, Luftsauerstoff vom aushärtbaren Material fernzuhalten
(anaerobe Aushärtung).
Weiter alternativ kann eine Elektronenstrahlquelle vorgesehen sein.
Es versteht sich, dass die Vorrichtung beliebige Kombinationen der
genannten Beschleunigungseinrichtungen umfassen kann, z. B. eine
Strahlungsquelle in Kombination mit einer Heizeinrichtung oder eine
Einrichtung zur Fernhaltung von Luftsauerstoff in Kombination mit
einer Einrichtung zur Erzeugung eines Wechselmagnetfeldes. Die Kombination
von speziellen Vorrichtungen zum Beschleunigen des Aushärtens wird
dabei natürlich immer
angepasst sein an die verfügbaren
Aushärtungsmechanismen
(Härtungsmöglichkeiten)
des eingesetzten aushärtbaren
Materials.
Vorteilhafterweise
ist die Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens dann so angebracht, dass
das Aushärten
des aushärtbaren
Materials durch Durchstrahlen oder Erwärmen der Matrizenbahn erfolgt.
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Strahlungsquelle eine Lampe für IR-, NIR-,
sichtbares oder UV-Licht ist, denn solche Härtungseinrichtungen sind zur
Beschleunigung des Aushärtens
einer Vielzahl aushärtbarer
Materialien (insbesondere Lacke und andere Kunststoffe) besonders
geeignet. Ganz besonders bevorzugt ist der Einsatz einer UV-Lichtquelle
(UV-Lampe), da besonders viele UV-aushärtbare Lacke
zur Verfügung
stehen und eine Bestrahlung mit UV-Licht gut handhabbar ist.
Handelt
es sich bei der Strahlungsquelle um eine Quelle für IR-, NIR-,
sichtbares oder UV-Licht so wird die Matrizenbahn vorzugsweise so
ausgewählt, dass
sie für
zumindest einen Teil des von der Lampe ausgestrahlten Lichts durchlässig ist,
wobei die Matrizenbahn vorzugsweise eine Transmission von zumindest
60% bei der Wellenlänge
besitzt, bei der das von der Strahlungsquelle abgestrahlte Licht
sein Emissionsmaximum besitzt.
Aus
dem Vorgesagten ergibt sich, dass folgende Kombination von Ausgestaltungsmerkmalen eines
erfindungsgemäßen Werkzeuges
besonders vorteilhaft ist:
- i) Die Bahn der
elastischen Matrize trägt
im Betriebszustand aushärtbares
Material auf ihrer das Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur
aufweisenden Bahnseite;
- ii) Andruckwalze und Matrizenbahn sind so angeordnet, dass beim
Verfahren der Walze über
die Oberfläche
die Matrizenbahn zusammen mit dem aufgetragenen aushärtbaren
Material in einer rollenden Bewegung zwischen Walze und Oberfläche gelangt,
so dass das Negativ auf der Matrizenbahn der Substratoberfläche zugewandt
ist und sich zwischen Matrizenbahn und Substratoberfläche das
aushärtbare
Material befindet;
- iii) Es ist eine Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens des
aushärtbaren
Materials vorgesehen, die so angeordnet ist, dass sie beim Verfahren
der Andruckwalze über
die Oberfläche
deren Bewegung nachfolgt und durch die Matrizenbahn hindurch auf
das auf die Oberfläche
applizierte aushärtbare
Material einwirkt (die Andruckwalze hat sich dann bereits etwas
weiter in Fahrrichtung vorwärts
bewegt);
- iv) Die Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens umfasst
eine Quelle für
IR-, NIR-, sichtbares oder UV-Licht optional in Kombination mit
einer der oben genannten weiteren Einrichtungen zum Beschleunigen
des Aushärtens.
- v) Die Matrizenbahn ist so ausgewählt, dass sie für zumindest
einen Teil des von der Lampe ausgestrahlten Lichts durchlässig ist,
wobei die Matrizenbahn vorzugsweise eine Transmission von zumindest
60% bei der Wellenlänge
besitzt, bei der das von der Strahlungsquelle abgestrahlte Licht sein
Emissionsmaximum besitzt.
Ein
derart ausgestaltetes erfindungsgemäßes Werkzeug ist in der Lage,
ein aushärtbares
Material zu prägen
(durch das Negativ auf der Matrizenbahn), auf eine Substratoberfläche abzulegen,
dort anzupressen (durch die Andruckwalze) und das applizierte aushärtbare Material
durch Bestrahlung mit Licht (durch die lichtdurchlässige Matrizenbahn
hindurch) und gegebenenfalls weitere Aushärtungsmechanismen auszuhärten.
Selbstverständlich ist
es auch bei der vorgenannten besonders bevorzugten Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Werkzeugs
vorteilhaft, Mittel zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der
beim elastischen Andrücken
wirkenden Andruckkräfte
vorzusehen und/oder die Andruckwalze elastisch auszugestalten etc.,
vergleiche insoweit die Ausführungen
unter 1. weiter oben.
Besonders
vorteilhaft ist es, der Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens eines
aushärtbaren
Materials eine Kühleinrichtung
zuzuordnen, um ein Überhitzen
des erfindungsgemäßen Werkzeuges
zu verhindern. Eine solche Kühleinrichtung umfasst
gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung ein Gebläse (einen Ventilator) zum Erzeugen
eines Kühlluftstromes,
der die Anlage der Matrizenbahn mit der das Negativ der zu erzeugenden
Mikrostruktur umfassenden und vorteilhafterweise aushärtbares
Material tragenden Seite einer Substratoberfläche (a) nicht beeinflusst oder
(b) verstärkt.
Vorzugsweise vermieden wird somit der Einsatz von Gebläsen, welche
die Anlage der Matrizenbahn an eine Substratoberfläche schwächen, z.
B. indem sie einen Unterdruck oberhalb der Matrizenbahn verursachen, der
diese (nebst darauf appliziertem aushärtbaren Material) wieder von
der Substratoberfläche
ablösen könnte. Der
Einsatz einer Wasserkühlung
alternativ oder additiv zu einer Lufktühlung ist in manchen Fällen vorteilhaft.
Die
Erfindung betrifft auch ein System zum Erzeugen einer Schicht mit
mikrostrukturierter Außenfläche auf
einer Substratoberfläche,
umfassend
- – ein
erfindungsgemäßes Werkzeug
und
- – ein
aushärtbares
Material, welches mittels der Vorrichtung zum Beschleunigen des
Aushärtens beschleunigt
aushärtbar
ist.
3. Vorrichtung zur Aufbringung
des aushärtbaren
Materials auf die Matrizenbahn:
In
eigenen Untersuchungen hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist,
wenn ein erfindungsgemäßes Werkzeug
eine Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials auf die Matrizenbahn
umfasst. Selbstverständlich
wird diese Vorrichtung dann regelmäßig so angeordnet, dass das
aushärtbare
Material auf die Negativseite der Matrizenbahn aufgetragen wird,
bevor es beim Verfahren der Andruckwalze zwischen die Matrizenbahn
und die Andruckwalze gelangt.
Die
Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials auf die Matrizenbahn
kann eine Dosierwalze umfassen, mittels derer im Revers- oder Gleichlaufverfahren
aushärtbares
Material auf die Matrizenoberfläche
appliziert wird. Die Vorrichtung zur Aufringung des aushärtbaren
Materials entspricht dann in ihrem Aufbau dem Aufbau einer Zweiwalzanlage
für das
Revers- bzw. Gleichlaufverfahren, wie es etwa beschrieben ist im
Römpp Lexikon
Lacke und Druckfarben, Georg Thieme Verlag, Stuttgart. Mittels eines
entsprechend eingerichteten Systems, welches eine Dosierwalze umfasst,
lassen sich Schichten mit einem gleichmäßigen Dickeprofil von bis zu 100 μm herstellen,
wobei Verarbeitungsviskositäten bis
zu 600 mPas verwendet werden können
und eine 100%ige Materialausbeute erreicht wird. Mittels einer derartig
ausgestalteten Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren
Materials lassen sich auch hochthixotrope Lacke verarbeiten.
Alternativ
kann eine Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials auf die Matrizenbahn
einen Rakel umfassen, welcher der Matrizenbahn zugeordnet ist. Mittels
Vorrichtungen, die einen Rakel umfassen, lassen sich insbesondere
lösungsmittelarme
und -freie Materialien applizieren, wobei Verarbeitungsviskositäten von
insbesondere bis zu 800 mPas bei Scherungen von 100 s–1 möglich sind.
Weiter
alternativ kann die Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren
Materials auf die Matrizenbahn eine Gießeinrichtung umfassen, welche der
Matrizenbahn zugeordnet ist. Entsprechend eingerichtete Vorrichtungen
zur Aufbringung des aushärtbaren
Materials umfassen vorzugsweise einen Gießkopf, der einen Austrittsschlitz
oder -spalt umfasst, dessen Spaltbreite mittels einer Schlitzregulierung
eingestellt werden kann. Bei Einsatz einer Gießeinrichtung lassen sich die
Dicken des aushärtbaren Materials
(insbesondere Lackschichtdicken) über die Viskosität des aushärtbaren
Materials, die Spaltbreite im Gießkopf (welche über die
Schlitzregulierung einstellbar ist) und die Vorschubgeschwindigkeit
der Matrizenbahn einstellen. Die Viskosität des aushärtbaren Materials kann hierbei
sehr hoch gewählt
werden (der Einsatz hochviskoser bzw. pastenförmiger Materialien ist möglich).
Weiter
alternativ kann die Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren
Materials auf die Matrizenbahn eine Sprüheinrichtung umfassen, wie
sie zur Durchführung
von Sprühverfahren
eingesetzt werden kann. Eine derartige Sprüheinrichtung umfasst üblicherweise
Sprühköpfe, welche
der Matrizenbahn zugeordnet sind. Zur Applikation von ein- oder
zweikomponentigen Nasslacken können
hydraulische oder pneumatische Düsen
eingesetzt werden. Zur Applikation von Zweikomponenten-Lacksystemen
werden vorzugsweise Düsen
eingesetzt, welche eine Innenmischung oder eine Außenmischung ermöglichen.
Weiter
alternativ umfasst die Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren
Materials ein Mittel zur Pulverlackierung von Oberflächen, welches
insbesondere nach dem Prinzip der Tribo- oder Corona-Aufladung funktioniert.
Es
versteht sich, dass das Vorhandensein einer Vorrichtung zur Aufbringung
des aushärtbaren Materials
auf die Matrizenbahn vorzugsweise kombiniert ist mit den bevorzugten
Ausgestaltungen, wie sie oben unter 1. und 2. erläutert sind.
4. Anordnung von weiteren
Walzen und Rollen:
Vorzugsweise
besitzt ein erfindungsgemäßes Werkzeug
nicht nur eine Andruckwalze, sondern zusätzlich eine Walze (Abnehmerwalze),
die so eingerichtet ist, dass sie beim Verfahren des Werkzeuges über die
Oberfläche
die Matrizenbahn 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 unterstützen und dass in der Regel
kein separater Abnahmevorgang für
die Matrize mehr notwendig ist.
Bei
einer derartigen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges
muss die Matrizenbahn somit nicht manuell oder auf andere Weise
wieder von der Substratoberfläche
entfernt werden, sondern das erfindungsgemäße Werkzeug übernimmt auch
diese Aufgabe. Es versteht sich, dass das System aus Werkzeug und
aushärtbarem
Material in diesem Falle vorzugsweise so eingestellt ist, dass lediglich
die Matrizenbahn wieder von der Substratoberfläche abgenommen wird, nicht
jedoch das aushärtbare
bzw. bereits ausgehärtete
Material selbst, welches ja als Schicht mit mikrostrukturierter
Außenfläche auf
der Substratoberfläche
verbleiben soll; vergleiche hierzu die Anmerkungen zum Haftverhalten weiter
unten.
In
besonders bevorzugten Ausgestaltungen, die im Zusammenhang mit den
beigefügten
Zeichnungen noch näher
erläutert
werden, sind neben den beiden bereits erläuterten Walzen noch weitere
Walzen oder Rollen vorhanden, die insbesondere die Funktion von
Umlenkwalzen besitzen können,
vgl. dazu die beigefügte
Zeichnung und das Ausführungsbeispiel
weiter unten. Darüber
hinaus können Rollen
oder Walzen vorhanden sein, auf denen eine bzw. die Matrizenbahn
bevorratet bzw. wieder aufgerollt werden (nachdem die Andruckwalze
die Matrizenbahn und das darauf vorgesehene aushärtbare Material an die Substratoberfläche angedrückt hat), vgl.
hierzu die Dokumente WO 2005/030472 sowie
DE 103 46 124 A1 bzw. B4.
5. Ausgestaltung der Matrizenbahn:
Es
wurde bereits erläutert,
dass die Matrizenbahn eines erfindungsgemäßen Werkzeugs elastisch ist
und zumindest auf einer Bahnseite ein Negativ der zu erzeugenden
Mikrostruktur trägt.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Matrizenbahn auf beiden Bahnseiten
das Negativ einer zu erzeugenden Mikrostruktur trägt, wobei
die beiden Negativseiten die gleiche oder aber eine andere Mikrostruktur tragen
können.
Die
Matrizenbahn ist ein Element des erfindungsgemäßen Werkzeuges, welches zwar
mit der Andruckwalze zusammenwirkt, nicht jedoch mit dieser Andruckwalze
fest verbunden ist. Vorzugsweise ist die Matrizenbahn zerstörungsfrei
von der Andruckwalze sowie gegebenenalls vorhandenen weiteren Walzen
oder Rollen ablösbar
und gegen eine andere Matrizenbahn austauschbar.
Insbesondere
kann die Matrizenbahn stramm und elastisch um eine gasgefüllte (elastische)
Andruckwalze gelegt sein, welche nach Art eines pneumatischen Reifens
oder Ballons durch Veränderung
des Gasdrucks in ihren Eigenschaften modifizierbar ist (siehe dazu
oben). Bei einer derartigen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges
ist die Matrizenbahn auf besonders einfache Weise von der Andruckwalze
lösbar
und gegen eine andere Matrizenbahn austauschbar.
Vorzugsweise
besitzt das die Matrizenbahn bildende Material eine Shore A-Härte im Bereich
von 20–60,
vorzugsweise 30–45.
Besonders
bevorzugt sind Matrizenbahnen mit einer Shore-Härte im Bereich von 30–45. Die
mit diesen Shore A-Härten
einhergehende Elastizität
ist zur Mikrostrukturierung aushärtbarer
Materialien besonders gut geeignet. In eigenen Untersuchungen hat
sich gezeigt, dass Matrizenbahnen mit einer Shore-A-Härte oberhalb
60 häufig
zu vergleichsweise schlechten Mikrostrukturierungsergebnissen führten, insbesondere
bei der Aufbringung der Schicht des aushärtbaren Materials auf eine
gekrümmte
Substratoberfläche.
Eine Verringerung der Shore A-Härte unter
die angegebenen Werte führt
ebenfalls häufig zu
einer Verschlechterung der Mikrostruktur, da hierdurch die benötigte Kraft
zur Abformung (Prä gung) nicht
mehr so gut auf das aushärtbare
Material übertragen
wird, dessen Außenfläche zu mikrostrukturieren
ist.
Vorzugsweise
handelt es sich bei der Matrizenbahn um eine Bahn aus Silikon. Insbesondere können zweikomponentige,
auf Basis von Polyaddition aushärtende
Silikon-Abformmassen verwendet werden, die beispielsweise von der
Firma Wacker zu beziehen sind. Insbesondere bevorzugt ist der Einsatz
von 2K-Silikonabformmassen
z. B. des Typs Elastosil EL M 4648 mit einem Mischungsverhältnis von
10 zu 1 (Komponente A zu Komponente B) der Firma Wacker. Vergleiche
insoweit die bereits mehrfach erwähnten Dokumente WO 2005/030472
sowie
DE 103 46 124
A1 bzw. B4. Insbesondere die das Matrizenmaterial betreffenden
Ausführungen
in den besagten Dokumente sind im Wege der Verweisung Bestandteil
der vorliegenden Anmeldung; die in den besagten Dokumenten offenbarten
Matrizenmaterialien sind besonders gut für Matrizenbahnen erfindungsgemäßer Werkzeuge
einsetzbar.
Die
Oberflächenenergie
der Negativseite einer Matrizenbahn zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Werkzeug
ist vorzugsweise an das einzusetzende aushärtbare Material sowie die Oberflächenenergie
der Substratoberfläche
angepasst, auf welche das aushärtbare
Material als Schicht aufzubringen ist. Die Oberflächenenergie
der Matrizenbahn sollte so eingestellt werden, dass das einzusetzende
aushärtbare
Material unter Betriebsbedingungen im nicht ausgehärteten Zustand
zwar an der Matrizenbahn haftet und diese benetzt, an der Substratoberfläche aber
zumindest im ausgehärteten
Zustand besser haftet als an der Matrizenbahn.
Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein System zum Erzeugen einer
Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, umfassend
- – ein
erfindungsgemäßes Werkzeug
- – ein
aushärtbares
Material und
- – ein
Substrat mit einer zu beschichtenden, gegebenenfalls mehrfach gekrümmten Oberfläche, wobei
die Matrizenbahn, die Substratoberfläche und das aushärtbare Material
so gewählt
sind, dass das aushärtbare
Material unter Betriebsbedingungen im nichtausgehärteten Zustand
an der Matrizenbahn haftet und diese benetzt, an der Substratoberfläche aber
zumindest im ausgehärteten
Zustand besser haftet als an der Matrizenbahn.
Die
Matrizenbahn besitzt vorzugsweise eine Oberflächenenergie im Bereich von
17 bis 40 mN/m, vorzugsweise 20 bis 30 mN/m.
Vorzugsweise
besitzt die Matrizenbahn eine Zugfestigkeit von zumindest 2,5 N/mm2, vorzugsweise zumindest 2,9. Die Matrizenbahn
kann durch Zusatz von beispielsweise Faser- oder Gewebematerial verstärkt sein,
so dass sie die erforderliche Zugfestigkeit besitzt.
Sofern
ein erfindungsgemäßes Werkzeug eine
Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens des aushärtbaren
Materials umfasst, bei der es sich um eine Lichtquelle für IR-, NIR-,
sichtbares oder UV-Licht handelt, wobei die besagte Vorrichtung
zum Beschleunigen des Härtens
so angebracht ist, dass das Aushärten
des aushärtbaren
Materials durch Durchstrahlen der Matrizenbahn erfolgt, wird die
Matrizenbahn (bzw. das Material, aus der sie besteht) vorzugsweise
so ausgewählt,
dass sie für
zumindest einen Teil des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes
durchlässig
ist, wobei die Matrizenbahn vorzugsweise ein Transmissionsmaximum
im Bereich des von der Strahlungsquelle abgestrahlten Wellenlängenbereiches
besitzt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die wesentlichen
Teile des Lichtes durch die Matrizenbahn hindurchtreten und auf
das aushärtbare
Material einwirken können,
welches sich im Betrieb des erfindungsgemäßen Werkzeuges zwischen Matrizenbahn
und Substratoberfläche
befindet. Selbstverständlich
muss bei einer derartigen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges
auch das einzusetzende aushärtbare
Material in seinen Eigenschaften angepasst werden, siehe hierzu
auch weiter unten.
Vorzugsweise
ist die Matrizenbahn eines erfindungsgemäßen Werkzeuges eine endlose
und vorzugsweise nahtlose Matrizenbahn. Es versteht sich, dass bei
Einsatz einer endlosen Matrizenbahn (wie ähnlich bei anderen Werkzeugen
mit Laufbändern)
die Anordnung von Andruck- und weiteren Walzen (bzw. Rollen) im
erfindungsgemäßen Werkzeug so
gewählt
sein muss, dass die endlose Matrizenbahn beim Verfahren der Andruckwalze
endlos im Werkzeug umläuft
(wie entsprechend in Raupenfahrzeugen), so dass im Betrieb ein bestimmter
Ort an der Oberfläche
der Matrizenbahn jeweils nach einem definierten Verfahrweg wieder
auf die Substratoberfläche
trifft, welcher der Länge
der Matrizenbahn genau entspricht. Es versteht sich, dass eine endlose, nahtlose
Matrizenbahn vorteilhaft in Kombination mit sämtlichen vorstehend ausgeführten Ausgestaltungen
anderer Bestandteile bzw. Aspekte eines erfindungsgemäßen Werkzeuges
vorteilhaft eingesetzt werden kann. Die Nahtlosigkeit der bevorzugt
einzusetzenden endlosen Matrizenbahn führt dazu, dass auch nach komplettem
Umlauf der Matrizenbahn kein Nahtabdruck der Matrizen in das aushärtbare Material übertragen
wird.
Eine
nahtlose und endlose Matrizenbahn lässt sich beispielsweise unter
Verwendung einer (vorzugsweise metallischen) Trommel herstellen,
deren Innenwandung ein Positivmodell der Mikrostruktur trägt, welche
die von dem erfindungsgemäßen Werkzeug
zu erzeugende Schicht auf ihrer Außenfläche tragen soll. Auf die Innenwandung
der Trommel wird dann eine aushärtbare
Abformmasse (vorzugsweise eine Silikon-Abformmasse, wie vorstehend
erläutert)
aufgebracht und die Trommel (vorzugsweise langsam und gleichmäßig) so
um ihre Achse rotiert, dass sich die noch nicht oder zumindest noch
nicht vollständig
ausgehärtete
Abformmasse gleichmäßig auf
der gesamten Trommelinnenwandung verteilt. Die Rotation der Trommel
wird fortgesetzt, bis die Abformmasse ausreichend ausgehärtet ist;
die Aushärtezeit
beträgt
dabei in manchen Fällen
12 oder mehr Stunden. Nach dem Aushärten wird die so entstandene
endlose und nahtlose Matrizenbahn von der Innenwandung der Trommel
abgezogen; die Außenseite
der Matrizenbahn trägt
nun das Negativ der Mikrostruktur, welche von dem Positivmodell
auf der Innenwandung der Trommel auf die Abformmasse übertragen
wurde.
Die
Abformmasse (vorzugsweise aus Silikon) wird vorteilhafterweise nach
dem Auftragen auf die Innenwandung der Trommel mittels einer Vakuumvorrichtung
entlüftet.
Vorzugsweise
ist die Bahn der elastischen (und vorzugsweise endlosen sowie nahtlosen)
Matrize mindestens 1 mm dick, denn bei geringeren Matrizenbahndicken
ist die Abformgenauigkeit häufig nicht
mehr ausreichend und die Rissneigung der Matrize häufig zu
hoch.
6. Dicke der applizierten
Schicht:
Vorzugsweise
umfasst ein erfindungsgemäßes Werkzeug
Mittel zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der Dicke
der applizierten Schicht. Solche Mittel sind insbesondere dann vorteilhaft,
wenn eine Substratoberfläche
zu beschichten ist, die bereits eine Struktur aufweist. Bestimmte Elemente
dieser Struktur können
dann durch Aufbringen der Schicht vollständig abgedeckt werden, so dass
sie die Eigenschaften der beschichteten Strukturoberfläche nicht
mitbestimmen können.
Die Eigenschaften der beschichteten Strukturoberfläche werden
dann – wie
in der Regel vorgegeben – ausschließlich durch
die Schicht mit ihrer mikrostrukturierten Außenfläche bestimmt. Insbesondere
kann es vorteilhaft sein, Vertiefungen oder Erhöhungen auf einer ansonsten
glatten Substratoberfläche
(z.B. Fugen oder Nähte)
durch Variation der Beschichtungsdicke zu nivellieren.
7. Ausgestaltung des aushärtbaren
Materials:
Das
aushärtbare
Material, welches mittels eines erfindungsgemäßen Werkzeuges auf eine Substratoberfläche appliziert
wird und dort eine Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche bilden
soll, ist vorzugsweise ein Lack.
Aushärtbare Materialien
(insbesondere Lacke), die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug
bzw. als Teil eines erfindungsgemäßen Systems eingesetzt werden
sollen, müssen eine
Reihe von Anforderungen erfüllen,
welche zum Teil aus den Erfordernissen des erfindungsgemäßen Werkzeuges
resul tieren, zum Teil jedoch auch durch die jeweiligen Einsatzzwecke
bestimmt sind. Aus den jeweiligen Anforderungen ergeben sich bevorzugte Merkmale
des aushärtbaren
Materials. Dazu nun im Einzelnen:
Das einzusetzende aushärtbare Material
wird vorzugsweise so ausgewählt,
dass es in der Lage ist, die Negativseite der Matrizenbahn vollständig zu
benetzen, das heißt
die Eigenschaften von Matrizenbahn und aushärtbarem Material (insbesondere
Lack) werden insoweit aufeinander abgestimmt; zur Ausgestaltung
der Matrizenbahn siehe oben.
Das
aushärtbare
Material wird vorzugsweise so ausgewählt, dass es durch die Vorrichtung
zum Beschleunigen des Aushärtens
innerhalb weniger Sekunden soweit ausgehärtet werden kann, dass eine
eingebrachte Mikrostruktur formtreu erhalten bleibt; die Vorrichtung
zum Beschleunigen des Aushärtens
ist dabei entsprechend den Aushärtungsmechanismen
ausgewählt,
welche das aushärtbare
Material aufweist, vergleiche hierzu die obigen Ausführungen.
Vorzugsweise wird das aushärtbare
Material so ausgewählt,
dass es durch Bestrahlung mit UV-Licht
innerhalb von maximal 10 Sekunden, vorzugsweise innerhalb von maximal
5 Sekunden soweit ausgehärtet
(fixiert) werden kann, dass die eingebrachte Mikrostruktur formtreu
erhalten bleibt.
Das
aushärtbare
Material (insbesondere Lack) ist vorzugsweise so eingestellt, dass
es zumindest nach Aushärtung
besser an der Substratoberfläche
haftet als an der Matrizenbahn, vergleiche hierzu auch die Ausführungen
weiter oben.
Ein
entsprechendes erfindungsgemäßes System
zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf
einer Substratoberfläche umfasst:
- – ein
erfindungsgemäßes Werkzeug
(vorzugsweise eines, welches vorstehend als besonders bevorzugt
gekennzeichnet ist),
- – ein
aushärtbares
Material (insbesondere ein aushärtbares
Material, welches vorstehend als besonders bevorzugt gekennzeichnet
ist) und
- – ein
Substrat mit einer zu beschichtenden, gegebenenfalls mehrfach gekrümmten Oberfläche,
wobei
die
Matrizenbahn, die Substratoberfläche
und das aushärtbare
Material so gewählt
sind, dass das aushärtbare
Material unter Betriebsbedingungen im nicht ausgehärteten Zustand
an der Matrizenbahn haftet, an der Substratoberfläche aber
zumindest nach (teilweiser) Aushärtung
besser haftet als an der Matrizenbahn.
Vorzugsweise
ist das Substrat ein Bestandteil eines Schiffes, eines Unterseebootes,
eines Flugzeugs, eines Landfahrzeugs wie Automobil oder Schienenfahrzeug,
eines Rotorblatts, eines Architekturbauwerkes (z. B. eines Fassadenbauelementes) oder
einer Pipeline.
Das
aushärtbare
Material ist vorzugsweise so eingestellt, dass es eine ausreichende
Endhärtung
in Abwesenheit der Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens, das
heißt
insbesondere in Abwesenheit einer Lichtquelle (Lampe), gewährleistet.
Allgemein
können
z. B. die folgenden Lacksysteme eingesetzt werden:
- – Lacke
auf Basis von Polymerisationsharzen, die radikalisch oder ionisch
induziert aushärten;
- – Polyadditionsharze
(z. B. Polyurethan- und Epoxidharzsysteme), die zwei- oder einkomponentig sein
können.
Die Hydroxylkomponente kann dabei neben den Basen Polyacrylat oder
Polyester bzw. die Epoxidharzkomponente auch auf Silikon- oder Fluorharz
basieren.
- – Harzsysteme
für die
anaerobe Aushärtung,
d. h. Lack- bzw. Harzsysteme, 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.
Es
können
auch beliebige Mischungen aus den vorstehend genannten Lacksystemen
eingesetzt werden, woraus im Einzelfall Vorteile resultieren können.
Die
vorzugsweise eingesetzten Lacksystemen besitzen einen Festkörperanteil
von 98–100% und
können
entweder flüssig
oder pulverförmig
vorliegen. Die flüssigen
Systeme können
einkomponentig oder zweikomponentig vorliegen. Insbesondere sind
einsetzbare Lacksysteme durch die nachfolgend genannten Verfahren
aushärtbar:
UV-, Elektronenstrahl, IR-, NIR-Strahlung; (wärmeforcierte) Konvektion; Induktionshärtung (cure
on demand z. B. mittels magnetisierbarer Nanoferrite); anaerobe
Aushärtung (Aushärtungsbeginn
erst bei Luftausschluss). Die vorstehend genannten Härtungsmethoden
sind dabei frei miteinander kombinierbar.
Ganz
besonders bevorzugt ist der Einsatz zweikomponentiger sogenannter
Dual-Cure-Lacksysteme,
die eine Mischung aus zwei unterschiedlichen Aushärtungsmechanismen
besitzen:
- 1. UV-Härtung (radikalische/an-, kationische
Polymerisation)
- 2. Polyol-Isocyanat-Vernetzung (Polyaddition).
Insbesondere
zur Herstellung von Schichten auf Substratoberflächen, welche auch widrigen
Wetterbedingungen über
einen langen Zeitraum standhalten, ist der Einsatz von Zweikomponenten-Polyurethanlacken
bevorzugt, die einen Anteil eines UV-härtbaren Harzes umfassen; der
Polyurethanlack umfasst dabei Polyole und Isocyanate, die wetterbeständig sind.
Die Menge an UV-härtbarem
Harz ist vorzugsweise hoch genug, um die in den Lack (als aushärtbares
Material) eingebrachte Mikrostruktur und den Lack selbst ausreichend
schnell durch UV-Bestrahlung
zu fixieren (anzuhärten),
ist aber andererseits so niedrig wie möglich, um einen möglichst hohen
Anteil der vorteilhaften Eigenschaften des Polyurethans beizubehalten,
denn die Eigenschaften des Polyurethans sind für praktische Anwendungszwecke
in der Regel besonders vorteilhaft. Der Anteil an UV-härtenden Harzen im Lacksystem
sollte aber auch deshalb möglichst
niedrig sein, um den Volumenschrumpf möglichst gering zu halten, der
durch diese Harze üblicherweise
verursacht wird. Ein Anteil von 20–40 Gew.-% UV-härtendem Harz in der Dual-Cure-Lackformulierungen
hat sich in eigenen Untersuchungen als besonders vorteilhaft erwiesen.
8. Anwendungsbereiche
der Erfindung; erfindungsgemäße Gegenstände, Verfahren
und Verwendungen:
Ein
wesentlicher Vorteil eines erfindungsgemäßen Werkzeuges ist, dass es
eine problemlose und kontinuierliche Bearbeitung von großen Oberflächen gestattet.
Insbesondere bei Auswahl von geeignetem Matrizen- und/oder Andruckwalzenmaterial
ist es dazu geeignet, auch gekrümmte,
sogar mehrfach gekrümmte
Oberflächen
zu strukturieren.
So
lassen sich beispielsweise Großstrukturen
wie Oberflächen
oder Oberflächenabschnitte
von Architekturbauwerken (z. B. Fassadenbauelementen), Flugzeugen,
insbesondere deren Tragflächen und
Rumpf, von Schienenfahrzeugen, insbesondere Lokomotiv- und Waggon-Karosserien,
Automobilen, Schiffen, insbesondere deren Rümpfe und Antriebsschrauben,
Windenergieanlagen, insbesondere deren Rotorblätter, Turbinen, insbesondere
deren Rotor- und Staturblätter,
und von Rohr-Innenoberflächen,
insbesondere für
Pipelines auch in Bereichen doppelt gekrümmter Flächen mit einer gleichmäßigen Schicht
mit mikrostrukturierter Außenfläche versehen.
Die
eingangs beschriebenen Nachteile herkömmlicher Verfahren zum Bekleben
der soeben genannten Oberflächen
oder Oberflächenabschnitte können somit
vermieden oder verringert werden.
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.
Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf
einer Substratoberfäche
umfasst die folgenden Schritte:
- a1) Bereitstellen
eines aushärtbaren,
mikrostrukturierbaren Materials,
- a2) Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Werkzeuges (insbesondere
eines vorstehend als bevorzugt gekennzeichneten Werkzeuges),
- a3) Erzeugen der Schicht aus dem aushärtbaren, mikrostrukturierbaren
Material mittels des Werkzeuges auf der Substratoberfläche,
- a4) Aushärten
der Schicht des aushärtbaren,
mikrostrukturierbaren Materials auf der Substratoberfläche (vorzugsweise
mittels einer Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens, die
an die Aushärtemechanismen
des aushärtbaren
Materials angepasst ist)
oder - b1)
Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Systems (umfassend erfindungsgemäßes Werkzeug, aushärtbares
Material und Substrat),
- b2) Erzeugen der Schicht aus dem aushärtbaren, mikrostrukturierbaren
Material mittels des Werkzeuges auf der Substratoberfläche,
- b3) Aushärten
der Schicht des aushärtbaren,
mikrostrukturierbaren Materials auf der Substratoberfläche (vorzugsweise
mittels einer Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens, die
an die Aushärtemechanismen
des aushärtbaren
Materials angepasst ist).
Weitere
Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergeben sich aus den vorstehenden Erläuterungen zu dem erfindungsgemäßen Werkzeug und
den erfindungsgemäßen Systemen,
aus der nachfolgenden Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen und den Patentansprüchen.
Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Gegenstand
umfassend eine Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf
einer mehrfach gekrümmten
Substratoberfläche,
wobei die Mikrostruktur im Bereich der Mehrfachkrümmung mittels
- – eines
erfindungsgemäßen Werkzeuges,
- – eines
erfindungsgemäßen Systems
oder
- – eines
erfindungsgemäßen Verfahrens
erzeugt
werden kann. Ein solcher erfindungsgemäßer Gegenstand ist vorzugsweise
ein Schiff, ein Unterseeboot, ein Flugzeug, ein Landfahrzeug, ein
Automobil oder Schienenfahrzeug, ein Rotorblatt, ein Architekturbauwerk
(z. B. Fassadenbauelement), eine Pipeline oder ein Teil eines dieser
Gegenstände.
Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung
eines erfindungsgemäßen Werkzeuges
oder eines erfindungsgemäßen Systems
zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf
einer Substratoberfläche (wie
oben weiter ausgeführt).
Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges bzw. eines erfindungsgemäßen Systems
zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf
einer Substratoberfläche
können
besonders gut strömungsbegünstigte
und/oder schmutz- oder bewuchsabweisende Oberflächen hergestellt werden, wobei
die eingangs für
herkömmliche
Mikrostrukturierungsverfahren beschriebenen Nachteile vermieden
oder verringert werden können.
Mit der Verwendung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs zum Erzeugen
einer mikrostrukturierten Oberfläche
können insbesondere
die oben zu bevorzugten Ausführungsformen
und Aspekten des erfindungsgemäßen Werkzeugs
beschriebenen Vorteile erzielt werden.
Die
erfindungsgemäßen Werkzeuge
(insbesondere in ihren bevorzugten Ausführungsformen) eignen sich besonders
für eine
solche Verwendung, da mit ihnen in einem kontinuierlichen Prozess
große Flächen mit
einer mikrostrukturierten Schicht versehen werden können, die
auch doppelt gekrümmte Flächen umfassen
können.
Die wird insbesondere ermöglicht
durch eine geeignete Auswahl des Matrizenmaterials und des Materials
für die
Andruckwalze (siehe oben). Das Werkzeug kann den für das Mikrostrukturieren
des aushärtbaren
Materials benötigten Druck
durch sein Eigengewicht ausüben.
Vorteilhafterweise sind jedoch, wie oben erläutert, Mittel zum Einstellen
und/oder Steuern und/oder Regeln der beim elastischen Andrücken wirkenden
Andruckkräfte
vorhanden. Für
die Erzeugung großer
mikrostrukturierter Außenflächen ist
insoweit der Einsatz von Robotern vorteilhaft, wie sie ähnlich beim
Sprühauftrag
von Lack auf z. B. Automobil-, Flugzeug- und Schiffsoberflächen eingesetzt
werden.
Derartige
Roboter können
auch auf Fahrzeugen aufgebaut sein, wie sie bereits z. B. in Trockendocks
zur großflächigen Schiffsrumpflackierung
eingesetzt werden.
Ein
gewisser fester Andruck ist insbesondere vorteilhaft, um die gegebenenfalls
an der Grenzschicht zwischen Werkzeug (Matrize) und mikrostrukturierbarem
Material entstehende 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 Mikro struktur 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.
9. Spezielle
Weiterbildungen
9.1 Nahtloser Auftrag
von Schichten auf große
Oberflächen:
Zum
gleichmäßigen und
zumindest im Wesentlichen nahtlosen Applizieren einer Schicht mit mikrostrukturierter
Außenfläche auf
einer großen Substratoberfläche wird
ein erfindungsgemäßes Werkzeug
oder eine Anzahl erfindungsgemäßer Werkzeuge
vorzugsweise so eingesetzt, dass zueinander im Wesentlichen parallele
Bahnen von Schichten mit jeweils mikrostrukturierter Außenfläche auf die
Substratoberfläche
appliziert werden. Damit zwischen parallelen Bahnen der applizierten
Schichten keine Naht entsteht, werden die Bahnen vorzugsweise entweder überlappend
appliziert, oder das erfindungsgemäße Werkzeug wird so eingerichtet,
dass scharfe Bahnkanten gebildet werden, wobei benachbarte Bahnkanten
zueinander paralleler Bahnen nahtlos aneinander gefügt werden.
Vorzugsweise
können
Roboter eingesetzt werden, um ein erfindungsgemäßes Werkzeug bzw. eine Anordnung
erfindungsgemäßer Werkzeuge
präzise
so über
eine Substratoberfläche
zu führen,
dass die gewünschte
nahtlose Verlegung der parallelen Bahnen in gewünschter Weise erfolgt.
9.2 Applikation mehrer
Schichten aushärtbaren
Materials:
Im
Einzelfall kann es zweckmäßig sein,
die Oberfläche
eines Gegenstandes mit einer ersten Beschichtung zu versehen, welche
eine mikrostrukturierte Außenfläche trägt oder
nicht trägt.
Auf diese erste Schicht können
dann ein oder mehrere weitere Schichten aufgetragen werden, wobei
die äußerste Schicht
eine mikrostrukturierte Außenfläche trägt. Zur
Applikation einer ersten Schicht, welche keine mikrostrukturierte
Außenfläche besitzt,
kann ein geringfügig
modifiziertes Werkzeug eingesetzt werden, welches bei ansonsten
gleicher Ausgestaltung wie ein erfindungsgemäßes Werkzeug eine Matrizenbahn
besitzt, welche auf ihrer Andruckseite kein Negativ der zu erzeugenden
Mikrostruktur umfasst. Es versteht sich, dass die Oberfläche einer
ersten Schicht, welche selbst keine mikrostrukturierte Außenfläche trägt, auf
der jedoch eine Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche (als
zweite oder weitere Schicht) angeordnet werden soll, im Sinne des
vorliegenden Textes als Substratoberfläche aufzufassen ist.
9.3 Gestaltung der Innenfläche des
aushärtbaren Materials:
In
manchen Fällen
ist es vorteilhaft, die im fertigen Zustand dem Substrat zugewandte
Innenfläche
der zu erzeugenden Schicht (welche auf ihrer Außenfläche mikrostrukturiert ist)
zu kennzeichnen oder sonstwie zu modifizieren. Insbesondere sind Verfahren
vorteilhaft, in denen die Innenfläche der besagten Schicht mit
einer Farbe oder Tinte gekennzeichnet oder bedruckt werden. Hierzu
sind in einem erfindungsgemäßen Werkzeug
vorteilhafterweise entsprechende Einrichtungen vorgesehen, welche
es gestatten, auf die Innenfläche
der zu applizierenden Schicht einzuwirken, welche beispielsweise über die Vorrichtung
zur Aufbringung des aushärtbaren
Materials (z. B. Ink-Jet-Druckköpfe)
auf die Matrizenbahn aufgebracht wurde und dort zunächst nach
außen weist.
Auf
entsprechende Weise kann auf die Innenseite der zu applizierenden
Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche ein Hologramm oder ein anderes
Erkennungs- oder Sicherheitsmerkmal appliziert werden.
9.4 Einsatz von Robotersystemen:
Es
wurde bereits erwähnt,
dass Robotersysteme eingesetzt werden können, um ein erfindungsgemäßes Werkzeug
präzise
und mit dem gewünschten
Anpressdruck über
eine Substratoberfläche
zu verfahren. Insbesondere geeignet ist der Einsatz von Robotern,
vorzugsweise von solchen mit langen Führungsarmen, wenn beispielsweise
die Außenhaut von
Schiffsrümpfen
oder Flugzeugen mittels eines erfindungsgemäßen Werkzeuges beschichtet
werden sollen.
Es
wurde bereits erwähnt,
dass derartige Roboter auch auf Fahrzeugen aufgebaut sein können, wie
sie bereits z. B. in Trockendocks zur großflächigen Schiffsrumpflackierung
eingesetzt werden.
10. Auftragen gleichmäßiger Schicht
mit mikrostrukturierter Außenfläche auf
große
Substratoberflächen:
Es
ist in manchen Fällen
vorteilhaft, mehrere erfindungsgemäße Werkzeuge parallel zueinander auszurichten
und miteinander so zu verbinden, dass sie gleichzeitig über die
Substratoberfläche
verfahren werden können.
Vorzugsweise werden die parallelen Werkzeuge dabei gelenkig miteinander
verbunden, so dass sich eine Gruppe miteinander verbundener erfindungsgemäßer Werkzeuge
quer zu ihrer Fahrtrichtung an die Krümmung einer Substratoberfläche anpassen
kann.
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Figuren näher
erläutert.
Es
stellen dar:
1 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.
2 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges, bei dem die
Matrize eine einzelne (Andruck-)Walze stramm umschließt, wobei
eine Vorrichtung zum Aufbringen des aushärtbaren Materials auf die Matrizenbahn
sowie eine Druckluftzufuhr vorgesehen sind.
1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Werkzeug
mit einer Andruckwalze 1, einer endlosen Matrizenbahn 3,
einer Walze 7, die gleichzeitig als Abnehmerwalze fungiert,
einer Walze 9, welche die Funktion einer Umlenkwalze ausübt, einer Lichtquelle
(Härtungsvorrichtung) 5 sowie
einer Vorrichtung 11 zum Auftragen aushärtbaren Materials (nicht dargestellt) auf
die Matrizenbahn 3.
Im
Betrieb des in 1 dargestellten Werkzeugs wird
dieses in Richtung des Pfeiles A verfahren. Gleichzeitig wird mittels
der Vorrichtung 11 aushärtbares
Material auf die Matrizenbahn 3 aufgebracht, die sich um
die insgesamt drei Walzen 1, 7 und 9 herum
erstreckt. Da die Andruckwalze 1 in Richtung des Pfeiles
A verfahren wird, gelangt die Matrizenbahn 3 in einer rollenden
Bewegung zwischen die Andruckwalze 1 und die überfahrene
Substratoberfläche
(nicht dargestellt). Die Matrizenbahn 3 trägt auf ihrer
von den Walzen 1, 7, 9 abgewandten Seite
das Negativ einer Mikrostruktur, welches in das aufgetragene aushärtbare Material übertragen
wird, das die Negativ-Seite der Matrizenbahn vollständig benetzt
und an ihr anhaftet. Sobald das Werkzeug eine hinreichende Strecke
in Richtung des Pfeiles A verfahren ist, erreicht aushärtbares
Material auf der Negativ-Seite der Matrizenbahn den Bereich der
Andruckwalze 1 und gelangt dort schließlich zwischen Matrizenbahn 3 und
die Substratoberfläche.
Bei
weiterem Verfahren des Werkzeuges in Richtung des Pfeiles A gelangt
das auf die Substratoberfläche
aufgedrückte
aushärtbare
Material in den Wirkungsbereich der Lichtquelle 5, welche
durch das Matrizenmaterial hindurch, das in seinen Transmissionseigenschaften
an die Lichtquelle angepasst ist, auf das aushärtbare Material einwirkt. Das
aushärtbare
Material ist so gewählt,
dass die durch die Matrizenbahn hindurchdringende Strahlung die
Aushärtung
des aushärtbaren
Materials initiiert. Bei dem aushärtbaren Material handelt es
sich vorzugsweise um einen Dual-Cure-Lack (siehe oben), dessen Fotoinitiatoren
durch Licht aktiviert werden, welches von der Strahlungsquelle emittiert
wird und durch die Matrizenbahn 3 hindurchtreten kann.
Während
somit das Werkzeug in Richtung des Pfeiles A weiter verfahren wird,
härtet
das aushärtbare
Material (zumindest teilweise) aus. Schließlich erreicht die Abnehmerwalze 7 den
Bereich des nun (teilweise) ausgehärteten Materials und nimmt
die Matrizenbahn 3 von dem ausgehärteten Material ab, welches
auf der Substratoberfläche
verbleibt. Das ausgehärtete
Material haftet an der Substratoberfläche besser als an der Matrizenbahn.
Bei
fortgesetztem Verfahren des Werkzeugs in Richtung des Pfeiles A
wird kontinuierlich weiteres aushärtbares Material über die
Matrizenbahn 3 in den Wirkungsbereich der Andruckwalze 1 gefördert, von der
Andruckwalze an die Substratoberfläche angedrückt und anschließend mittels
der Lichtquelle 5 ausgehärtet.
2 zeigt
ein erfindungsgemäßes Werkzeug
mit einer gasgefüllten
Andruckwalze und einer stramm auf diese Andruckwalze aufgezogenen
endlosen Matrizenbahn 23; in 2 ist die
Andruckwalze selbst nicht zeichnerisch dargestellt, ihre Position
jedoch durch die der strukturierten Matrize angegeben. Die Andruckwalze
ist durch eine in 2 schematisch dargestellte Druckluftzufuhr 27 mit
Druckluft befüllbar.
Die Druckluftzufuhr umfasst zeichnerisch nicht dargestellte Mittel
zur Einstellung des Gasdruckes innerhalb der Andruckwalze.
Das
in 2 dargestellte Werkzeug umfasst zudem eine Vorrichtung
zum Beschleunigen des Aushärtens
eines aushärtbaren
Materials (Härtungseinheit) 25;
hierbei handelt es sich den Eigenschaften (verfügbaren Härtungsmechanismen) des aushärtbaren
Materials (Lacks) entsprechend beispielsweise um eine Strahlungsquelle
für elektromagnetische Strahlung,
eine Heizeinrichtung zum Bestrahlen und/oder Beheizen des aushärtbaren
Materials, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Wechselmagnetfeldes
oder z. B. eine Elektronenstrahlquelle. Alternativ oder zusätzlich kann
eine Einrichtung zur Fernhaltung von Luftsauerstoff vorhanden sein,
vergleiche hierzu die obigen Ausführungen. Selbstverständlich kann
auch eine Kombination der genannten Elemente vorgesehen sein, um
aushärtbare
Materialien auszuhärten,
welche mehrere Härtungsmöglichkeiten anbieten.
Das
in 2 dargestellte Werkzeug umfasst des Weiteren eine
Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials auf die Matrizenbahn
(Lackdosiereinheit) 31, welche nach Art einer Dosierwalze eingerichtet
ist, wie sie aus Zweiwalzanlagen für das Revers- bzw. Gleichlaufverfahren
bekannt ist, vergleiche insoweit die obigen Ausführungen.
Das
in 2 dargestellte Werkzeug umfasst schließlich auch
noch ein Gehäuse 33,
welches die Anordnung aus Andruckwalze/Matrizenbahn, Lackdosiereinheit,
Härtungseinheit
und Druckluftzufuhr nahezu vollständig umschließt, jedoch
auf seiner Unterseite eine Aussparung besitzt, durch welche die Andruckwalze/Matrizenbahn
vorspringt, so dass die Applikation aushärtbaren Materials, welches über die Lackdosiereinheit
auf die strukturierte Matrize aufgegeben werden kann, auf eine zu
beschichtende Substratoberfläche
möglich
ist. Eine Substratoberfläche 35 ist
in 2 dargestellt.
Die
Druckluftzufuhr mit den zugeordneten Mitteln, welche die Einstellung
des Luftdrucks in der Andruckwalze ermöglichen, stellt Mittel dar
zum Einstellen der beim elastischen Andrücken der Matrizenbahn (mit
der das Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur umfassenden und
gegebenenfalls aushärtbares
Materials tragenden Seite) an die Subtratoberfläche.
Hinsichtlich
der Ausgestaltung der Matrizenbahn 23 gilt das zu 1 (Matrizenbahn 3)
Gesagte entsprechend.
Im
Betrieb des in 2 dargestellten Werkzeuges wird
dieses auf der Substratoberfläche 35 verfahren.
Gleichzeitig wird mittels der Vorrichtung 31 (Lackdosiereinheit)
aushärtbares
Material auf die Matrizenbahn 23 aufgebracht, die stramm
auf die nicht separat dargestellte Andruckwalze aufgespannt ist.
Da die Andruckwalze (mit Matrizenbahn 23) auf der Substratoberfläche verfahren
wird, gelangt die Matrizenbahn 23 in einer rollenden Bewegung
zwischen die Andruckwalze und die überfahrene Substratoberfläche 35.
Die Matrizenbahn 23 trägt
entsprechend der Ausgestaltung gemäß 1 auf ihrer
von der Walze abgewandten Seite das Negativ einer Mikrostruktur,
welches in das aufgetragene aushärtbare Material übertragen
wird, das die Negativseite der Matrizenbahn vollständig benetzt
und an ihr anhaftet. Sobald das Werkzeug eine hinreichende Strecke
auf der Substratoberfläche 35 verfahren
ist, erreicht aushärtbares
Material auf der Negativ-Seite der Matrizenbahn die Oberfläche 35 des
Substrats und gelangt zwischen Matrizenbahn 23 und Substratoberfläche 35.
Gleichzeitig oder etwas früher
gelangt das auf die Substratoberfläche 35 aufgedrückte aushärtbare Material
auch in den Wirkungsbereich der Härtungseinheit 25,
welche durch das Matrizenmaterial hindurch auf das aushärtbare Material
einwirkt. Während
somit das Werkzeug weiter auf der Substratoberfläche 35 verfahren wird,
härtet
das aushärtbare Material
(zumindest teilweise) aus. Die Andruckwalze selbst nimmt schließlich die
Matrizenbahn 23 von dem ausgehärteten Material ab, welches
auf der Substratoberfläche 35 verbleibt.
Das ausgehärtete Material
haftet an der Substratoberfläche 35 besser als
an der Matrizenbahn 23. Bei fortgesetztem Verfahren des
Werkzeuges auf der Substratoberfläche wird kontinuierlich weiteres
aushärtbares
Material aus der Lackdosiereinheit 31 auf die Matrizenbahn 23 appliziert
und über
die Matrizenbahn 23 in Kontakt mit der Substratoberfläche 35 gebracht,
wird dort von der Andruckwalze an die Substratoberfläche 35 angedrückt und
sogleich mittels der Härtungseinheit 25 ausgehärtet.