DE102006004644B4 - A tool and method for forming a microstructured outer surface layer on a substrate surface - Google Patents
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Abstract
Werkzeug
zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf
einer Substratoberfläche,
umfassend:
– eine
Bahn (3) einer elastischen Matrize mit einem Negativ der zu erzeugenden
Mikrostruktur,
– eine über eine
Oberfläche
verfahrbare elastische Andruckwalze (1) mit einer Andrückfläche zum
elastischen Andrücken
der Matrizenbahn (3) mit der das Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur
umfassenden und gegebenenfalls aushärtbares Material tragenden
Seite an die Substratoberfläche,
– ein Mittel
zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der Elastizität der Andruckwalze
(1) und/oder der auf die Matrizenbahn (3) wirkenden Andruckfläche der
Andruckwalze (1),
wobei
Andruckwalze (1) und Matrizenbahn
(3) so angeordnet sind, dass beim Verfahren der Walze über die
Oberfläche die
Matrizenbahn (3), gegebenenfalls mit dem darauf aufgetragenen aushärtbaren
Material, in einer rollenden Bewegung zwischen Walze und Oberfläche gelangt,
so dass das Negativ auf der Matrizenbahn (3) der Substratoberfläche zugewandt
ist.A tool for forming a microstructured outer surface layer on a substrate surface, comprising:
A web (3) of an elastic matrix with a negative of the microstructure to be produced,
A resilient pressure roller (1) movable over a surface, having a pressure surface for elastically pressing the matrix path (3) with the side carrying the negative of the microstructure to be generated and possibly hardenable material, to the substrate surface,
A means for adjusting and / or controlling and / or regulating the elasticity of the pressure roller (1) and / or the pressure surface of the pressure roller (1) acting on the die track (3),
in which
Pressure roller (1) and die path (3) are arranged so that when moving the roller over the surface of the die path (3), optionally with the curable material applied thereto, in a rolling movement between the roller and surface passes, so that the negative the die path (3) faces the substrate surface.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, Systeme zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, Verfahren zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, einen Gegenstand umfassend eine Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer mehrfach gekrümmten Substratoberfläche sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges oder eines erfindungsgemäßen Systems zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche. Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen und den Patentansprüchen.The The present invention relates to a tool for producing a layer with microstructured outer surface a substrate surface, Systems for producing a microstructured outer surface layer a substrate surface, A method of forming a microstructured outer surface layer a substrate surface, an article comprising a microstructured layer Outside surface on a multi-curved substrate surface and the use of a tool according to the invention or a system according to the invention for producing a layer with a microstructured outer surface a substrate surface. Further aspects of the present invention will become apparent from the following Description, the attached Drawings and the claims.
Die
vorliegende Erfindung steht im engen Zusammenhang mit dem Inhalt
der eigenen Veröffentlichungen
WO 2005/030472 A1 sowie
Mikrostrukturierte Oberflächen werden in zunehmendem Maße für spezielle Funktionen benötigt. Beispielhaft zu nennen sind hier Oberflächen mit der Lotusblattstruktur oder strömungsbegünstigende 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. Architekturbauwerke (z. B. Fassadenbauelemente) oder Pipelines. Zusätzlich dienen mikrostrukturierte Oberflächen dazu, Verschmutzungen oder Bewuchs (insbesondere bei Schiffen) zu vermindern.microstructured surfaces are becoming increasingly for special Functions needed. To name a few, here are surfaces with the lotus leaf structure or flow-promoting Surfaces. Products with flow-favored, with regard to so-called "riblet" surfaces Speed and power consumption can be optimized in principle Objects that are moved on the one hand, such as Airplanes, rail vehicles, automobiles, ships or rotor blades of wind turbines and on the other hand, objects around or through the one motion should take place, such. B. Architectural structures (eg facade elements) or pipelines. additionally serve microstructured surfaces to pollution or fouling (especially in ships) Reduce.
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.
- - The adhesion of a film on double-curved surfaces (eg aircraft wings or rotors for wind turbines) is difficult to impossible.
- - The bond can detach during operation.
- - A foil adds extra weight to the workpiece. This counteracts the intended energy saving, for example in the case of flow-favorable surfaces on vehicles.
- - In addition, a film also consumes volume, resulting in the case of pipelines to a reduced internal volume or the need for an increased external volume.
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.to Structuring of films are known embossing processes, the films or emboss film-like materials in stationary machines. So Reiner Mehnert, A. Sobottka and Ch. Elsner disclose in "Microstructured Polyacrylates Surfaces Generated by UV & EP Curing ", Proc. RadTech Europe, 08.-10., Basel (2001) 603-608 a Device in which a film over a roller led is whose surface is designed as a template. Simultaneously with the impression of the matrix into the slide is the (future) surface the film by irradiating the film with electrons or UV radiation hardened.
Eine ähnliche
Vorrichtung wird auch in der
Die
Den drei genannten Verfahren bzw. Vorrichtungen ist gemein, dass das Material, dessen Oberfläche mikrostrukturiert werden soll, eine flexible Folie ist, die über die Andruckwalze geführt werden kann. Keines dieser Dokumente zeigt eine Möglichkeit auf, mittels derer man mit einer Walze eine Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, z. B. der 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 insoweit auf eine Folie verzichten könnte.The three methods or devices is common that the Material whose surface is microstructured is to be a flexible film, which are guided over the pressure roller can. None of these documents shows a possibility by means of which roll a layer of microstructured outer surface with a roller a substrate surface, z. B. the surface an inflexible, rigid object such as a Can apply vehicle components. In particular, the mentioned devices provide or procedure no indication of how one or that one extent could do without a foil.
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 eines 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).In order not to have to use film, it would be beneficial to structure a paint that is applied to vehicle surfaces, for example, directly. An embossing of a not yet cured paint by a short-term contact with a stamping tool is not in a certain applications (eg for a streamlined surface) sufficient quality readily possible because conventional wet paints offer no time window within which the paint is still deformable and on the other hand no longer bleed after contact with the embossing tool. In addition, the paint is extremely tacky in the uncured state and sticks to it when removing the embossing tool, even if the surface energy of the embossing tool is extremely low (eg less than 25 mN / m).
Verfahren zur Nano- und Mikrostrukturierung von Lacken sind bekannt, z.B. um Hologramme in der Lackschicht zu erzeugen. So offenbart beispielsweise die WO 00/30869 A1 Verfahren zur dekorativen Gestaltung einer lackierten Substratoberfläche, bei dem ein durch UV-Strahlung vernetzbarer Lack durch eine Matrize hindurch mittels UV-Strahlung ausgehärtet wird.method for nano- and microstructuring of paints are known, e.g. to create holograms in the paint layer. For example, disclosed WO 00/30869 A1 process for the decorative design of a painted Substrate surface, in which a crosslinkable by UV radiation paint through a die is cured by means of UV radiation.
Auch
in der bereits erwähnten
Weiterer
Stand der Technik ist in den folgenden Dokumenten offenbart:
Wie
erwähnt
steht die vorliegende Erfindung jedoch in besonders engem Zusammenhang
mit den Veröffentlichungen
WO 2005/030472 A1 sowie
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß einem primären Aspekt gelöst durch ein Werkzeug zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche mit den Merkmalen des Anspruches 1.According to the invention this Task according to one primary Aspect solved by a tool for producing a layer with microstructured Outside surface on a substrate surface with the features of claim 1.
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 Substratobenfläche 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.Especially preferred is a tool according to the invention, wherein (i) in Operating state at least on a section of the web page of the elastic die, which is the negative of the basic structure to be generated wearing, the hardenable Material is applied and (ii) the pressure roller so set up is that they have the matrix path with the negative of the to be generated Basic structure and the curable material bearing side to the substrate surface Press on elastically can. In such a preferred embodiment are pressure roller and die path arranged so that in the process of the roller over the surface the die path with the curable applied thereto Material comes in a rolling motion between roller and surface, so that the negative on the template path faces the substrate surface is.
Ein solches Werkzeug ist im oben genannten Stand der Technik nicht offenbart.One such tool is not disclosed in the above-mentioned prior art.
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.The inventive tool, in particular in its already explained preferred embodiment is particularly well suited to a layer with microstructured Outside surface on to apply a substrate surface. At the substrate surface it may in particular be the surface of inflexible materials and the substrate surface can also be very large.
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.Especially the tool according to the invention is suitable (in particular in its preferred embodiment) for generating a layer having a microstructured outer surface on a substrate surface, wherein the substrate is part of a ship, a submarine, an aircraft, a land vehicle (eg automobile or rail vehicle), a rotor blade, a pipeline or an architectural structure (eg of a façade component).
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.there is under "Generate a layer with microstructured outer surface "the production of a layer with a surface topography to understand that includes a structure with amplitude maxima of each other have a distance in the range of 10 nm to <1 mm, preferably 60 .mu.m to 200 .mu.m.
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.The said topography is characterized by forms, in particular embossing of curable Material by means of the negative of the microstructure to be generated carrying die path and subsequent curing of the curable Material generated.
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.A "surface-movable pressure roller" is to be understood as a pressure roller, whose center of gravity is able to perform a movement on a (substrate) surface. Accordingly, a "process" of the roll over a surface means moving the center of gravity of that roll along said surface while the roll is rolling, but the roll itself has no contact with the substrate surface, as in the process of the roll Matrizenbahn, preferably with the curable material applied thereto, passes in a rolling movement between the roller and the surface, so that the negative on the die path faces the substrate surface and is preferably (in the operating state) between the matrix path and the substrate surface, the curable material.
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.Under "curing" is under this Textes to understand at least partial curing. Preferably is at least according to the invention Hardened so far, a microstructure is thus fixed on the outer surface of a (previously "hardenable") material (stabilized) is added to them in the absence of mechanical influences 25 ° C her Shape retains, i.e. especially not flowing.
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.The in a tool according to the invention existing path of the elastic matrix (also called "template path") is here not fixed to the pressure roller of the tool according to the invention but is preferably from this Zerstörungsfei removable; But she can be drawn to these.
Ausgehend
von einem Werkzeug, wie es in den Veröffentlichungen WO 2005/030472
A1 sowie
1. Elastizität der Andruckwalze; Einstellen der Andruckkräfte; weitere Eigenschaften der Andruckwalze1. elasticity of the pressure roller; To adjust the pressure forces; further properties of the pressure roller
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.In own investigations have been shown that in particular for the production a layer with a microstructured outer surface on a (multiply) curved substrate surface the Demands on the tool according to the invention are very high, especially if the microstructure to be generated is only very small Deviations from the desired shape should have.
Erfindungsgemäße Werkzeuge umfassen deshalb Mittel zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der beim elastischen Andrücken der Matrizenbahn 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.Inventive tools therefore include means for adjusting and / or controlling and / or regulating the elastic pressing the die path with the negative of the microstructure to be generated comprehensive and preferably already bearing the curable material side on a substrate surface acting pressure forces. Such means merely exist in a simple case a springy storage for the pressure roller, whereby the spring force of the storage set, can be controlled, but the funds can Alternatively, be designed in any other way, provided they allow adjustment, control or regulation of the pressure forces. For example, the tool as a whole can be attached to the robot by means of a robot substrate surface pressed and over These are moved, in particular, the pressure forces on the Robot control accurate can be adjusted.
Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung, dass 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.Especially advantageous is the embodiment that the pressure roller of a tool according to the invention is elastic. In particular in combination with the preferably existing means for adjusting and / or controlling and / or regulating the elastic pressing acting pressure forces It is when using an elastic pressure roller - in combination with the present invention elastic matrix sheet - especially quite possible, a microstructure with a particularly small deviation from the nominal shape to reach.
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.Prefers, particularly in the context of what is described in this text Die material, is a (surface) material for the pressure rollers, its Shore A hardness in the range of 20-60 lies. Especially in cases in which the pressure roller is not filled with gas (to gas-filled pressure rollers see at once), it has in own investigations as advantageous proved as material for To choose the pressure roller a polyurethane foam whose Shore A hardness in the above range.
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):
Impression hardness (determined according to DIN EN ISO 2439):
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.Of the Diameter of existing in a tool according to the invention pressure roller is preferably in the range of 10-50 cm, with a diameter in the range of 10-20 cm is again preferred. The pressure roller preferably has a length in the range of 20-200 cm, depending of the respective application.
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.Preferably is a (elastic) pressure roller of a tool according to the invention (For example, in the manner of a pneumatic tire) gas-filled and (a) their outer surface acting on the die path and / or (b) their elasticity are through the means for adjusting and / or controlling and / or regulating the elastic pressing locally acting pressure forces variable. It is particularly preferred in such a case when the means for adjusting and / or controlling and / or regulating the elastic press locally acting pressure forces a device for adjusting, controlling the gas pressure within the (pneumatic) pressure roller. The expert it is clear that at low gas pressure inside the pressure roller acting on the die trajectory contact surface (bearing surface) of the Pressure roller also regularly is low and at high gas pressure within the pressure roller also the pressure surface (Contact surface) is great. The skilled person is also clear that the gas pressure within the pressure roller regularly an immediate one Effect on their elasticity has. Tools with a pressure roller, which on the die path acting pressure surface changeable in width are particularly preferred, since they allow, a substrate surface with a layer (with a microstructured outer surface) whose width varies.
Auf diese Weise kann auf bauliche Gegebenheiten der Substratoberfläche selbst Rücksicht genommen werden.On this way can be based on structural conditions of the substrate surface itself consideration be taken.
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.alternative or in combination with the embodiments discussed above an inventive tool preferably designed so that the pressure roller transversely to the rolling direction is divided into two, three or more segments, with the segments are movable relative to each other so that they are in a first operating state can be arranged to each other so that the pressure surface together from all Segments is formed and in a second operating state so can be arranged to each other, that one, two or more segments do not contribute to the formation of the pressure surface.
Auch eine solche Ausgestaltung erlaubt eine besonders gute Rücksichtnahme auf die Gegebenheiten einer Substratoberfläche, welche mit einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auszurüsten ist.Also such a design allows a particularly good consideration on the conditions of a substrate surface, which with a layer equipped with microstructured outer surface.
2. Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens des aushärtbaren Materials:2. Apparatus for accelerating the curing of curable Materials:
Wie ähnlich bereits
in den genannten Dokumenten WO 2005/030472 A1
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.Especially it is preferred if the device for accelerating the curing a Radiation source for electromagnetic radiation and / or a heating device for irradiation and / or heating the curable Material includes; the presence of a radiation source for electromagnetic radiation is particularly preferred. Alternatively, the device can be accelerated of curing be a device for generating a Wechselmag netfeldes, z. B. an induction hardening through in the hardenable Material (especially a paint) contained special Nanoferrite to enable (cure on demand). Still alternatively, the device may be for accelerating of curing be adapted to keep atmospheric oxygen from the curable material (anaerobic hardening). Further alternatively, an electron beam source may be provided. It is understood that the device can be any combination of the mentioned Accelerators may include, for. B. a radiation source in combination with a heating device or a device for Keep away from atmospheric oxygen in combination with a device for generating an alternating magnetic field. The combination of special Of course, devices for accelerating hardening always become be adapted to the available curing mechanisms (Curing options) of the used curable Material.
Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens dann so angebracht, dass das Aushärten des aushärtbaren Materials durch Durchstrahlen oder Erwärmen der Matrizenbahn erfolgt.advantageously, the device for accelerating the curing is then attached so that the Harden of the hardenable Material by irradiation or heating of the template path.
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.Especially It is advantageous if the radiation source is a lamp for IR, NIR, visible or UV light, because such curing facilities are for Acceleration of curing a variety of curable Materials (especially paints and other plastics) especially suitable. Very particularly preferred is the use of a UV light source (UV lamp), as many UV-curable Paints available stand and irradiation with UV light is easy to handle.
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.These the source of radiation is a source of IR, NIR, Visible or UV light so the matrix sheet is preferably so selected, that they are for at least part of the light emitted by the lamp is transparent, wherein the die track preferably has a transmission of at least 60% at the wavelength possesses, at which the light emitted by the radiation source has its emission maximum.
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.
- i) The web of the elastic die carries curable material in its operating state on its side facing the negative of the microstructure to be produced;
- ii) pressure roller and die path are arranged so that when moving the roller over the surface, the die path, together with the applied curable material, moves in a rolling motion between the roller and the surface so that the negative on the die path faces the substrate surface and between the die path and substrate surface is the curable material;
- iii) A device is provided for accelerating the hardening of the curable material, which is arranged so that it follows the movement of the pressure roller over the surface and acts through the die path on the curable material applied to the surface (the pressure roller has then moves forward a bit further in the direction of travel);
- iv) The curing accelerator comprises a source of IR, NIR, visible or UV light, optionally in combination with any of the other curing enhancement means mentioned above.
- v) The stencil sheet is selected to be transmissive to at least a portion of the light emitted by the lamp, the stencil sheet preferably having a transmission of at least 60% at the wavelength at which the light emitted by the radiation source has its emission maximum.
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.One such a designed inventive tool is able to a hardenable Emboss material (through the negative on the matrix path) to deposit on a substrate surface, press there (by the pressure roller) and the applied curable material by irradiation with light (through the translucent matrix path through) and, where appropriate, curing further curing mechanisms.
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.Of course it is it also in the aforementioned particularly preferred embodiment a tool according to the invention Advantageously, means for adjusting and / or controlling and / or regulating the elastic pressing acting pressure forces provide and / or to design the pressure roller elastic, etc., compare in this respect the explanations below 1. above.
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 aushärbaren Material) wieder von der Substratoberfläche ablösen könnte. Der Einsatz einer Wasserkühlung alternativ oder additiv zu einer Lufktühlung ist in manchen Fällen vorteilhaft.Especially It is advantageous to the device for accelerating the curing of a hardenable material a cooling device allocate to overheating of the tool according to the invention to prevent. Such a cooling device comprises according to a Particularly preferred embodiment, a fan (a fan) for generating a cooling air stream, the plant of the die path with the negative of the generated Microstructure comprising and advantageously curable Material-bearing side of a substrate surface (a) unaffected or (b) reinforced. Preferably, therefore, the use of blowers, which avoids weaken the system of the template web to a substrate surface, z. B. by causing a vacuum above the die path, this (in addition to applied aushärbaren material) again of the substrate surface supersede could. The use of a water cooling alternatively or in addition to an air cooling is advantageous in some cases.
Die Erfindung betrifft auch ein System zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, umfassend
- – ein erfindungsgemäßes Werkzeug und
- – ein aushärfbares Material, welches mittels der Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärfens beschleunigt aushärfbar ist.
- - An inventive tool and
- - A hardenable material, which is aushärfbar accelerated by means of the device for accelerating the curing.
3. Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials auf die Matrizenbahn:3. Apparatus for applying the curable Materials on the matrix sheet:
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.In own research has shown that it is advantageous when a tool according to the invention a device for applying the curable material to the die path includes. Of course this device is then arranged regularly so that the curable Material is applied to the negative side of the matrix sheet, before moving the pressure roller between the die path and the pressure roller passes.
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.The Device for applying the curable material to the die path may comprise a metering roll, by means of which in the reverse or synchronous process curable Material on the die surface is applied. The device for raising the curable Material then corresponds in structure to the construction of a two-roll mill for the Reversal or synchronization process, as it is described in the Römpp Lexicon Paints and printing inks, Georg Thieme Verlag, Stuttgart. By means of a appropriately equipped system comprising a metering roller, can be layers with a uniform thickness profile of up to Produce 100 μm, wherein processing viscosities up to 600 mPas can be used and a 100% material yield is reached. By means of such a device configured for applying the curable Materials can also process high-thixotropic paints.
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.Alternatively, an apparatus for applying the curable material to the die path may comprise a squeegee associated with the die trajectory. By means of devices comprising a doctor blade, it is possible to apply in particular low-solvent and -free materials, processing viscosities of in particular up to 800 mPas at shear rates of 100 s -1 being possible.
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).Further Alternatively, the device for applying the curable Material on the die path include a casting device, which associated with the matrix path. Correspondingly furnished devices for applying the curable Materials preferably include a casting head having an exit slot or gap, whose gap width by means of a slot regulation can be adjusted. When using a pourer can be the Thickness of the curable Material (especially paint layer thicknesses) on the viscosity of the curable Material, the gap width in the casting head (which on the slot regulation is adjustable) and the feed rate of the die path to adjust. The viscosity of the curable Material can be chosen very high (the use of highly viscous or pasty Materials is possible).
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.Further Alternatively, the device for applying the curable Material on the die path include a spray, such as to carry it out of spraying can be used. Such a spraying device usually comprises Spray heads, which associated with the matrix path. For application of on or off two-component wet paints can hydraulic or pneumatic nozzles be used. For application of two-component coating systems preferably nozzles are used, which allow an internal mixture or an external mixture.
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.Further Alternatively, the device for applying the curable Material a means for powder coating of surfaces, which in particular according to the principle of tribo or corona charging works.
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.It It is understood that the presence of a device for application of the hardenable Material on the matrix sheet is preferably combined with the preferred embodiments, as described above under 1. and 2.
4. Anordnung von weiteren Walzen und Rollen:4. Arrangement of other rollers and rollers:
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.Preferably owns a tool according to the invention not only a pressure roller, but in addition a roller (doffer roller), which is set up so that when moving the tool over the surface of the Die track decreases again.
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.basics Advantages of such a preferred tool according to the invention are that the by the rounding of the doffer roll occurring shear forces supersede support the matrix of the microstructured surface and that, as a rule no separate acceptance procedure for the matrix is more necessary.
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.at Such an embodiment of a tool according to the invention Thus, the mold path does not have to be done manually or otherwise again from the substrate surface be removed, but the tool according to the invention takes over also this task. It is understood that the system of tool and curable Material in this case is preferably set so that only the die path is removed again from the substrate surface, not however, the hardenable or already cured material itself, which yes as a layer with microstructured outer surface the substrate surface should remain; compare the comments on detention behavior further down.
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 A1 sowie
5. Ausgestaltung der Matrizenbahn:5. Design of the 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.It has already been explained that the die path of a tool according to the invention is elastic and at least on one side of the web a negative of the microstructure to be generated wearing. It can also be provided that the die path on both sides of the web carries the negative of a microstructure to be generated, wherein the two negative sides the same or a different microstructure can carry.
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.The Matrizenbahn is an element of the tool according to the invention, although interacts with the pressure roller, but not with this pressure roller is firmly connected. Preferably, the die path is nondestructive from the pressure roller as well as any existing additional rollers or rolls detachable and interchangeable with another matrix path.
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.Especially the matrix web can be tight and elastic around a gas-filled (elastic) Pressure roller to be placed, which in the manner of a pneumatic tire or balloons by change the gas pressure is modifiable in its properties (see above). In such an embodiment of a tool according to the invention the die path is particularly simple from the pressure roller solvable and interchangeable with another matrix path.
Vorzugsweise besitzt das die Matrizenbahn bildende Material eine Shore A-Härte im Bereich von 20–60, vorzugsweise 30–45.Preferably The material forming the matrix sheet has a Shore A hardness in the range from 20-60, preferably 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.Especially preferred are stencil sheets having a Shore hardness in the range of 30-45. The with these Shore A hardnesses accompanying elasticity is curable for microstructuring Materials particularly well suited. In own investigations has It has been shown that female molds with a Shore A hardness above 60 often led to comparatively poor microstructuring results, in particular in the application of the layer of curable material to a curved Substrate surface. A reduction in Shore A hardness below the specified values also frequently to a deterioration of the microstructure, as a result of the required force for impression taking no longer transfer so well to the curable material is to microstructure its outer surface is.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Matrizenbahn um eine Bahn aus Silikon. Insbesondere können zweikomponentige, auf Basis von Polyaddition aushärtende Silikon-Abformmassen verwendet werden.Preferably If the mold track is a sheet of silicone. Especially can be two-component, Curing based on polyaddition Silicone impression compounds are used.
Insbesondere
bevorzugt ist der Einsatz von 2K-Silikonabformmassen
mit einem Mischungsverhältnis von
10 zu 1 (Komponente A zu Komponente B). Vergleiche insoweit die
bereits mehrfach erwähnten
Dokumente WO 2005/030472 A1 sowie
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.The surface energy the negative side of a die track for use in a tool according to the invention is preferably to be used curable material and the surface energy of substrate surface adapted to which the curable Material is to be applied as a layer. The surface energy The mold path should be adjusted so that the curable Material under operating conditions in the uncured state Although it adheres to the matrix sheet and wets it, but at the substrate surface at least in the hardened Condition better adheres than at the matrix path.
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.
- - An inventive tool
- - a hardenable material and
- A substrate having a surface which is to be coated, possibly multiply curved, wherein the matrix web, the substrate surface and the curable material are selected so that the curable material adheres to the matrix web under non-cured conditions under operating conditions and wets it, but at least in the substrate surface Hardened state adheres better than at the die track.
Die Matrizenbahn besitzt vorzugsweise eine Oberflächenenergie im Bereich von 17 bis 40 mN/m, vorzugsweise 20 bis 30 mN/m.The Matrizenbahn preferably has a surface energy in the range of 17 to 40 mN / m, preferably 20 to 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.Preferably, the die web has a tensile strength of at least 2.5 N / mm 2 , preferably at least 2.9. The matrix sheet can be reinforced by the addition of, for example, fiber or fabric material so that it has the required tensile strength.
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.Provided an inventive tool a device for accelerating the curing of the curable Material, which is a light source for IR, NIR, visible or UV light, said device for accelerating hardening is attached so that the curing of the curable Material is made by irradiating the die path, the Matrizenbahn (or the material of which it consists) preferably so selected that they are for at least part of the light emitted by the light source permeable is, wherein the matrix path preferably a transmission maximum in the range of the radiated by the radiation source wavelength range has. This will ensure that the essential Pass parts of the light through the matrix path and on the hardenable Material can act, which is in the operation of the tool according to the invention between the die path and substrate surface located. Of course must in such an embodiment of a tool according to the invention also the used hardenable Material to be adapted in its properties, see this also below.
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.Preferably the die path of a tool according to the invention is an endless one and preferably seamless matrix sheet. It is understood that at Use of an endless mold path (as similar to other tools with treadmills) the arrangement of Andruck- and other rollers (or rollers) in inventive tool so chosen must be that the endless die path in the process of the pressure roller endlessly circulating in the tool (as in crawler vehicles), so that in operation a certain Place on the surface the Matrizenbahn each after a defined traverse again on the substrate surface meets which of the length corresponds exactly to the die path. It is understood that an endless, seamless die path advantageous in combination with all mentioned above Embodiments of other components or aspects of a tool according to the invention can be used advantageously. The seamlessness of the preferred to be used endless matrix path leads to the fact that even after complete Circulation of the matrix path no seam impression of the matrices is transferred to the curable material.
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
Die Abformmasse (vorzugsweise aus Silikon) wird vorteilhafterweise nach dem Auftragen auf die Innenwandung der Trommel mittels einer Vakuumvorrichtung entlüftet.The Impression material (preferably of silicone) is advantageously after the application to the inner wall of the drum by means of a vacuum device vented.
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.Preferably is the orbit of elastic (and preferably endless as well as seamless) Matrix at least 1 mm thick, because at lower die track thicknesses the impression accuracy is frequent not enough and the tendency of the matrix to crack too often high.
6. Dicke der applizierten Schicht:6. Thickness of applied layer:
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.Preferably includes a tool according to the invention Means for adjusting and / or controlling and / or controlling the thickness the applied layer. Such means are particularly advantageous if a substrate surface to coat, which already has a structure. Certain Elements of this structure can then be completely covered by applying the layer so that Do not use the properties of the coated structure surface be able to co-determine. The properties of the coated structural surface become then - how usually predetermined - exclusively by determines the layer with its microstructured outer surface. Especially It may be beneficial to have depressions or elevations on one otherwise smooth substrate surface (e.g., joints or seams) to level by varying the coating thickness.
7. Ausgestaltung des aushärtbaren Materials:7. embodiment of the curable 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.The curable Material which applied by means of a tool according to the invention on a substrate surface and there form a layer with microstructured outer surface is, is preferably a paint.
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 aushärfbare 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.Curable materials (especially paints), which are to be used in connection with the tool according to the invention or as part of a system according to the invention, have to meet a number of requirements, which result in part from the requirements of the tool according to the invention, but in part also by the intended for each purpose. From the respective requirements, there are preferred features of the curable material. In detail now:
The hardenable material to be used is preferably selected so that it is capable of completely wetting the negative side of the matrix web, that is to say the properties of matrix web and curable material (in particular lacquer) are matched to one another in this respect; for the design of the template web, see above.
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.The curable Material is preferably selected so that it passes through the device for accelerating the curing can be cured within a few seconds that a introduced microstructure remains true to form; the device for accelerating the curing is in accordance with the curing mechanisms selected, which is the hardenable Material has, compare the above statements. Preferably, the curable Material selected that it is by irradiation with UV light within a maximum of 10 seconds, preferably within a maximum Hardened for 5 seconds (Fixed) can be that the introduced microstructure true to form preserved.
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.The curable Material (especially paint) is preferably adjusted so that at least after curing better at the substrate surface sticks as on the matrix path, compare also the explanations above.
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,
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.A corresponding system according to the invention for producing a layer with a microstructured outer surface on a substrate surface comprises:
- A tool according to the invention (preferably one which is characterized as being particularly preferred above),
- A hardenable material (in particular a curable material, which is characterized as particularly preferred above) and
- A substrate with a surface to be coated, possibly with multiple curves,
the die path, the substrate surface and the curable material are selected such that the curable material adheres to the matrix web in the uncured state under operating conditions, but adheres better to the substrate surface at least after (partial) curing than on the matrix web.
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.Preferably the substrate is part of a ship, a submarine, an aircraft, a land vehicle such as an automobile or a rail vehicle, a rotor blade, an architectural work (eg a façade component) or a 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.The curable Material is preferably adjusted so that there is sufficient final cure in the absence of the curing accelerator, the is called especially in the absence of a light source (lamp), guaranteed.
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.
- - lacquers based on polymerization resins that cure radically or ionically induced;
- Polyaddition resins (eg polyurethane and epoxy resin systems), which may be two- or one-component. In addition to the bases polyacrylate or polyester or the epoxy resin component, the hydroxyl component may also be based on silicone or fluorine resin.
- - Resin systems for anaerobic curing, ie paint or resin systems that can be cured only in the absence of oxygen. These resin systems are technologically superior to systems that can be cured in the air, for example, with UV radiation, in some ways superior. Such paint resin systems form in particular the following advantages:
- - No excess of photoinitiator is necessary, which is a price advantage and leads to a higher durability of the paint resin film.
- - There is no excess of reactive groups necessary (eg double bond), which opens the possibility for the formulation of much more flexible and less brittle paint resin systems.
- - By inhibiting the oxygen inhibition of the paint resin film is in contrast to conventional techniques also almost completely crosslinked directly on the surface, resulting in better chemical and scratch resistance.
Es können auch beliebige Mischungen aus den vorstehend genannten Lacksystemen eingesetzt werden, woraus im Einzelfall Vorteile resultieren können.It can also any mixtures of the above-mentioned paint systems be used, which can result in individual cases benefits.
Die vorzugsweise eingesetzten Lacksysteme 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.The preferably used paint systems have a solids content from 98-100 % and can either liquid or powdered available. The liquid ones Systems can be one-component or two-component. In particular are applicable paint systems by the following methods curable: UV, electron beam, IR, NIR radiation; (heat-forced) convection; Induction hardening (cure on demand z. B. by means of magnetizable nanoferrite); anaerobic curing (Aushärtungsbeginn only with exclusion of air). The above curing methods are freely combinable with each other.
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).
- 1. UV curing (free radical / cationic polymerization)
- 2. Polyol-isocyanate crosslinking (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-Lackformulierung hat sich in eigenen Untersuchungen als besonders vorteilhaft erwiesen.In particular, for the production of layers on substrate surfaces, which also withstand adverse weather conditions over a long period of time, the use of two-component polyurethane paints comprising a proportion of a UV-curable resin is preferred; The polyurethane paint includes polyols and isocyanates which are weather resistant. The amount of UV-curable resin is preferably high enough to fix (cure) the microstructure introduced into the paint (as a curable material) and the paint itself sufficiently rapidly by UV irradiation, but on the other hand is as low as possible to cure To maintain the highest possible proportion of the advantageous properties of the polyurethane, because the own polyurethane structures are generally particularly advantageous for practical applications. However, the proportion of UV-curing resins in the paint system should also be as low as possible in order to minimize the volume shrinkage that is usually caused by these resins. A proportion of 20-40 wt .-% UV-curing resin in the dual-cure paint formulation has proven in private studies to be particularly advantageous.
8. Anwendungsbereiche der Erfindung; erfindungsgemäße Gegenstände, Verfahren und Verwendungen:8. Fields of application of the invention; Inventive objects, method and uses:
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.One An essential advantage of a tool according to the invention is that it allows easy and continuous processing of large surfaces. In particular, when selecting suitable die and / or pressure roller material is it suitable, even curved, even multiple curved surfaces too structure.
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.So For example, large structures can be like surfaces or surface sections of architectural structures (eg facade elements), aircraft, in particular their wings and hull, rail vehicles, in particular locomotive and wagon bodies, Automobiles, ships, in particular their hulls and propellers, Wind turbines, in particular their rotor blades, turbines, in particular their rotor and stature sheets, and of pipe inner surfaces, especially for Pipelines also in areas of double curved surfaces with a uniform layer provided with microstructured outer surface.
Die eingangs beschriebenen Nachteile herkömmlicher Verfahren zum Bekleben der soeben genannten Oberflächen oder Oberflächenabschnitte können somit vermieden oder verringert werden.The At the beginning described disadvantages of conventional methods for gluing the surfaces just mentioned or surface sections can thus avoided or reduced.
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.Multiple curved surfaces In the context of this text, such surfaces are not wrinkle-free from a continuous, just spreadable, microstructured According to the prior art, the film covers the entire surface in a touching manner can be.
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)
- 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).
- a1) providing a curable, microstructurable material,
- a2) providing a tool according to the invention (in particular a tool marked above as preferred),
- a3) producing the layer of the curable, microstructurable material by means of the tool on the substrate surface,
- a4) curing the layer of curable, microstructurable material on the substrate surface (preferably by means of a curing accelerator adapted to the curing mechanisms of the curable material)
- b1) providing a system according to the invention (comprising a tool according to the invention, hardenable material and substrate),
- b2) producing the layer of the curable, microstructurable material by means of the tool on the substrate surface,
- b3) curing the layer of curable, microstructurable material on the substrate surface (preferably by means of a curing accelerator adapted to the curing mechanisms of the curable material).
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.Further Aspects of the method according to the invention result from the above explanations to the tool according to the invention and the systems according to the invention, from the following description, the accompanying drawings and the claims.
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
- A tool according to the invention,
- - A system according to the invention or
- - A method according to the invention
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.One Another aspect of the present invention relates to the use a tool according to the invention or a system according to the invention for producing a layer with a microstructured outer surface a substrate surface (as further explained above). By using a tool according to the invention or a system according to the invention for producing a layer with a microstructured outer surface a substrate surface can particularly good aerodynamics and / or dirt or anti-fouling surfaces are produced, wherein the beginning for conventional Microstructuring method described disadvantages avoided or can be reduced. With the use of a tool according to the invention for generating a microstructured surface in particular the preferred embodiments above and aspects of the tool according to the invention described advantages are achieved.
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.The tools according to the invention (especially in their preferred embodiments) are particularly suitable for one such use, as with them in a continuous process size surfaces can be provided with a microstructured layer, the also double-curved surfaces may include. This is made possible in particular by a suitable selection of the template material and the material for the Pressure roller (see above). The tool can be used for microstructuring of the hardenable Needed material Exert pressure by its own weight. Advantageously however, as explained above, Means for adjusting and / or controlling and / or regulating the elastic pressing acting pressure forces available. For the generation of big ones microstructured outer surfaces is in this respect, the use of robots advantageous, as similar to the spraying of paint on z. As automotive, aircraft and ship surfaces used become.
Derartige Roboter können auch auf Fahrzeugen aufgebaut sein, wie sie bereits z. B. in Trockendocks zur großflächigen Schiffsrumpflackierung eingesetzt werden.such Robots can be built on vehicles, as they already z. B. in dry docks to large-scale hull painting be used.
Ein gewisser fester Andruck ist insbesondere vorteilhaft, um die gegebenenfalls an der Grenzschicht zwischen Werkzeug (Matrize) und mikrostrukturierbarem Material entstehenden Luftblasen zu entfernen.One certain firm pressure is particularly advantageous to the optionally at the interface between tool (die) and microstructured Material to remove resulting air bubbles.
Dadurch, dass das erfindungsgemäße Werkzeug verfahrbar ist, ist es möglich, durch die Wahl der Vorschubgeschwindigkeit vorteilhafte Präge- und/oder Aushärtebedingungen für das jeweilis 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.Thereby, that the tool according to the invention movable, it is possible by selecting the feed rate advantageous embossing and / or Cure for the each selected curable Material to wear the micro structure to choose. there can be the procedure of the tool over the microstructured surface carried out continuously or discontinuously. Especially at Use of a suitable template material is beyond the multiple use of the tool possible, which preferably so is designed so that the die is interchangeable.
9. Spezielle Weiterbildungen9. Special training
9.1 Nahtloser Auftrag von Schichten auf große Oberflächen:9.1 Seamless application of layers on size Surfaces:
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.To the uniform and at least substantially seamlessly applying a layer microstructured outer surface a big one substrate surface becomes a tool according to the invention or a number of tools according to the invention preferably used so that substantially parallel to each other Webs of layers, each with a microstructured outer surface the substrate surface be applied. Thus between parallel paths of the applied Layers no seam is formed, the webs are preferably either overlapping applied, or the tool according to the invention is set up that sharp web edges are formed, with adjacent web edges parallel to each other seamlessly be joined together.
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.Preferably can Robots are used to a inventive tool or an arrangement inventive tools precise so over a substrate surface respectively, that the desired seamless laying of the parallel tracks is done in the desired manner.
9.2 Applikation mehrer Schichten aushärtbaren Materials:9.2 Application of several layers of curable 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.In individual cases, it may be expedient to provide the surface of an article with a first coating which carries or does not support a microstructured outer surface. One or more further layers can then be applied to this first layer, wherein the outermost layer has a microstructure carries structured outer surface. For application of a first layer, which does not have a microstructured outer surface, a slightly modified tool can be used, which, with otherwise identical configuration as a tool according to the invention, has a die path which does not comprise a negative of the microstructure to be produced on its pressure side. It is understood that the surface of a first layer, which itself does not carry a microstructured outer surface, but on which a layer with a microstructured outer surface (as a second or further layer) is to be arranged, is to be understood as a substrate surface within the meaning of the present text.
9.3 Gestaltung der Innenfläche des aushärtbaren Materials:9.3 Design of the inner surface of the curable 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 wird einer Farbe oder Tinte gekennzeichnet oder bedruckt wird. 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.In some cases it is advantageous to face the substrate in the finished state palm the layer to be produced (which is microstructured on its outer surface) to be marked or otherwise modified. In particular are Method advantageous in which the inner surface of said layer is with a color or ink is marked or printed. For this are in a tool according to the invention advantageously provided corresponding devices, which allow it on the inner surface to act on the layer to be applied, which for example on the Device for applying the curable material (eg ink-jet print heads) the die path has been applied and initially points outward there.
Auf entsprechende Weise kann auf die Innenseite der zu applizierenden Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche ein Hologramm oder ein anderes Erkennungs- oder Sicherheitsmerkmal appliziert werden.On appropriate way can be applied to the inside of the Layer with microstructured outer surface a hologram or a another recognition or security feature can be applied.
9.4 Einsatz von Robotersystemen:9.4 Use of robot systems:
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.It has already been mentioned that robot systems can be used to a tool according to the invention precise and with the desired Contact pressure over a substrate surface to proceed. Particularly suitable is the use of robots, preferably those with long guide arms, for example the outer skin of ship hulls or aircraft coated by a tool according to the invention should be.
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.It has already been mentioned that such robots can also be built on vehicles, as they already z. B. in dry docks for large-scale hull painting be used.
10. Auftragen gleichmäßiger Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf große Substratoberflächen:10. Apply uniform layer with microstructured Outside surface on size Substrate surfaces:
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.It is in some cases advantageous, several tools according to the invention in parallel align and connect with each other in substrate surface can be moved. Preferably, the parallel tools are hinged together connected so that a group of interconnected inventive tools transversely to their direction of travel to the curvature of a substrate surface can.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.The Invention will now be described with reference to exemplary embodiments with reference on the attached Figures closer explained.
Es stellen dar:It represent:
Im
Betrieb des in
Bei
weiterem Verfahren des Werkzeuges in Richtung des Pfeiles A gelangt
das auf die Substratoberfläche
aufgedrückte
aushärtbare
Material in den Wirkungsbereich der Lichtquelle
Bei
fortgesetztem Verfahren des Werkzeugs in Richtung des Pfeiles A
wird kontinuierlich weiteres aushärtbares Material über die
Matrizenbahn
Das
in
Das
in
Das
in
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.The Compressed air supply with the associated means, which adjustment allow the air pressure in the pressure roller, represents means for adjusting during the elastic pressing of the template web (with the comprising the negative of the microstructure to be generated, and optionally curable Material bearing side) to the substrate surface.
Hinsichtlich
der Ausgestaltung der Matrizenbahn
Im
Betrieb des in
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