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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen
von lichtbeugenden Strukturen an Werkstücken durch Prägen.
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Zur
Erzielung farbiger optischer Effekte, Hologramme oder dergleichen
auf Metalloberflächen, beispielsweise an Münzen,
ist es bekannt, die Oberfläche der betreffenden Gegenstände
an den gewünschten Stellen mit einer beugungsaktiven Oberflächenstruktur
zu versehen. Diese erzeugt Lichtinterferenzen, die den gewünschten
optischen Effekt hervorrufen. Beugungsaktive Oberflächen
erfüllen dabei nicht nur dekorative Zwecke, sondern können auch
dem Schutz vor Fälschung dienen. Die optische Wirkung beruht
dabei auf sehr feinen, reliefartig in die jeweilige Oberfläche
eingebrachten periodisch aufgebauten Gitterstrukturen. Bekanntestes
Beispiel sind metallisierte Kunststofffolien mit Hologrammen, wie
sie auf Scheckkarten und Geldscheinen, bei Klebesiegeln usw. zum
Einsatz kommen. Während eine glatte Oberfläche
einfallendes Licht reflektiert, d. h. unter einem mit dem Einfallswinkel übereinstimmenden
Ausfallswinkel wieder abstrahlt, kommt es an Beugungsgittern zu
einer Winkeländerung, die z. B. als Farbumschlageffekt
an Hologramm-Folien beobachtet werden kann. Die Herstellung beugungsaktiver
Folien beruht auf dem Prägen thermoplastischer Kunststoffe
mittels galvanisch geformter Nickelstempel und anschließendem
Metallisieren der Gitteroberfläche. Daneben existieren
jedoch bereits verschiedene Verfahren, mit denen Beugungsgitter
unmittelbar in Obeflächen metallischer Körper
eingebracht werden.
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Dazu
ist beispielsweise aus der
WO 2004/045866 A1 die Erzeugung solcher Oberflächenstrukturen
in Metalloberflächen mittels eines Prägestempels
bekannt. Dieser weist Gitter- und/oder Linienstrukturen auf, die
sich beim Prägen des Werkstücks an diesem abformen.
Dabei wird der Prägestempel durch einen monokristallinen
Diamant gebildet, der mittels Kobalt mit einem Trägerkörper verlötet
ist. Die Negativstruktur des an dem Werkstück später
zu erzeugenden Beugungsgitters wird in den Prägestempel
mittels eines Lasers eingearbeitet. Außerdem kann der Prägestempel
mit einem Elektronen- oder einem Röntgenstrahl poliert
werden.
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Bei
dieser Vorgehensweise ist die Größe der zu erzeugenden
interferenzwirksamen Strukturen von vornherein auf die Größe
vorhandener Diamanten begrenzt.
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Des
Weiteren offenbart die
DE
100 02 644 A1 die Herstellung beugungswirksamer Reliefstrukturen
auf Münzoberflächen. Dazu wird der betreffende
Rohling zunächst in einem Tauchbad mit einer dünnen
lichtempfindlichen Kunststoffschicht überzogen. Anschließend
wird die Kunststoffschicht belichtet und entwickelt. Dadurch werden
mikroskopisch feine Stellen der Münzoberfläche
frei gelegt. In einem Ätzbad können dann nachfolgend
mikroskopische Reliefstrukturen in die Münzoberfläche
eingeätzt werden, wonach der fotoempfindliche Kunststoff
wieder entfernt wird. Die
DE
100 02 644 A1 offenbart darüber hinaus ein Konzept
für eine fälschungssichere Münze mit
beugungsoptischen, die herkömmlichen Gestaltungselemente
einer Münze ergänzenden Merkmalen. Diese sollen
visuell erkennbar, aber auch maschinenlesbar sein, wobei die maschinelle Erkennung
der beugungsoptischen Signatur auf der Feststellung der räumlichen
Lage der Beugungsmaxima beruht. Es wird ein Lesegerät vorgestellt,
welches in Münzprüfer und ähnliche Geräte
eingebaut ist. Kernstück dieses Lesegeräts ist
eine Lichtquelle und eine darauf abgestimmt Sensorik, mit der unter anderem
festgestellt wird, ob die Beugungsmaxima des von der Signatur auf
der Münze abgestrahlten Lichts an der aufgrund der Wellenlänge
des Lichts und der Gitterparameter der Struktur zu erwartenden Stelle
auftreten.
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Weiter
ist aus der
DE 197
22 575 A1 die Herstellung von interferenzfähigen
Mikrostrukturen, beispielsweise zur Erzeugung von Hologrammen in Münzen
oder dergleichen mittels Prägestempel, bekannt. Bei diesem
Verfahren werden auf einem Prägestempel mehrere harte Schichten,
beispielsweise aus Kobalt- oder Nickellegierungen abgeschieden,
in die Diamantkristalle eingelagert sind. Die Schichten können
durch spezielle Legierungsbäder oder Metallspritzverfahren,
durch galvanische Abscheidung oder durch plasmatische Ablagerung
aufgebracht sein. Die Oberflächensdhicht wird durch eine
diamantähnliche Schicht gebildet, die die Mikrostruktur enthält.
Zur Erzeugung der Mikrostrukturen verweist die genannte Schrift
allgemein auf galvanische Verfahren, Elektronen- oder Lasergravur,
Feinätztechniken und direkte Gravur mittels Diamantwerkzeug.
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Es
ist nach wie vor schwierig, mit Prägewerkzeugen einerseits
makroskopische Reliefstrukturen, wie sie bei Münzen üblich
sind, und andererseits Beugungsstrukturen zu erzeugen.
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Es
ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein praktisch Verfahren und eine
entsprechende Vorrichtung zur prägetechnischen Erzeugung
sowohl von Beugungsstrukturen als auch von Relief strukturen auf
Metalloberflächen zu schaffen. Insbesondere ist es Aufgabe
der Erfindung, eine praktisch einsetzbare, kostengünstige
Produktionstechnik für in Metall geprägte Diffraktogramme
zum Einsatz in der Massenfertigung von Umlaufmünzen und
Token bzw. Wertmarken, aber auch für die Herstellung von
Sondermünzen, Medaillen und dergleichen anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 wie auch den Merkmalen
des Anspruchs 16 gelöst:
Die erfindungsgemäße
Prägeeinrichtung dient der Bearbeitung von Metallgegenständen,
wie beispielsweise Münzen. Sie enthält eine Mikroprägestation, die
dazu eingerichtet ist, an dem massiven Gegenstand in einem Prägevorgang
eine beugungsaktive Struktur zu erzeugen. Diese kann in einem Punkt- oder
Linienmuster bestehen, das Erhebungen und Vertiefungen an der Oberfläche
des Gegenstands festlegt. Die Größe dieser Strukturen
liegt im Bereich der Lichtwellenlänge, so dass Beugungen
und Interferenzen entstehen können. Das interferierende
Licht erzeugt farbige Oberflächenbereiche. Nach der Mikroprägestation
durchläuft der Gegenstand eine Auftrageinrichtung, in der
auf die beugungsaktive Struktur eine Schutzschicht aufgebracht wird.
Diese Schutzschicht füllt die beugungsaktiven Strukturen aus
und bedeckt sie. Als Schutzschicht eignen sich Mineralöle,
Silikonöle, Lacke, Farben, Kunststoffe wie Duromere, Elastomere,
Lösungen aus anorganischen oder organischen Stoffen, wässrige
Lösungen usw. Der mit der Schutzschicht versehene Gegenstand
wird dann einer Prägestation zugeführt, in der an
dem Gegenstand ein makroskopisches Bildrelief angebracht wird. Dieses
Bildrelief kann sich über den zuvor in der Mikroprägestation
geprägten Bereich erstrecken. Die beugungsaktive Struktur
kann dabei unverformt bleiben oder auch verformt werden. Beispielsweise
kann sie mit einer konkaven oder konvexen Wölbung versehen
sein. Außerdem können sich durch die beugungsaktive
Struktur hindurch erstreckende makroskopische Linienstrukturen oder
sonstige geometrische Elemente erzeugt werden. Die Schutzschicht
sorgt dabei dafür, dass die beugungsaktive Struktur erhalten
bleibt, d. h. nicht oder nur wenig beschädigt wird. Auf
diese Weise gelingt die Herstellung von Metallgegenständen,
wie beispielsweise Münzen, die ein makroskopisches Relief
aufweisen, wie es bei Münzen üblich ist, wobei
in dieses Relief die zuvor erzeugten beugungsaktiven Strukturen
integriert sind. Damit gelingt die Herstellung von Metallmünzen
mit unterschiedlichen Farbeffekten. Die Farbeffekte entstehen durch
Interferenz des reflektierten Lichts an den beugungsaktiven Strukturen.
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Die
beugungsaktiven Strukturen können als Echtheitsmerkmal
Anwendung finden. Sie können außerdem auf verschiedene
andere Weise genutzt werden, wie beispielsweise als Alters- oder
Abnutzungsanzeige. Beispielsweise verschwindet die Beugungsaktivität
mit allmählichem Verschleiß der beugungsaktiven
Struktur, beispielsweise wenn die Münze abgegriffen wird.
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Es
ist vorgesehen, die Schutzschicht nach Ausbildung des makroskopischen
Reliefs zu entfernen, so dass die beugungsaktive Struktur freigelegt wird.
In diesem Fall kann die Schutzschicht durch ein undurchsichtiges
Material gebildet werden. Es ist aber auch möglich, eine
Schutzschicht aus transparentem Material vorzusehen, das nach Fertigstellung der
Münze oder des sonstigen Metallgegenstandes nicht entfernt
wird. Hat das Material der Schutzschicht einen anderen Brechungsindex
als Luft, kann die beugungsaktive Struktur, solange die Schutzschicht
vorhanden ist, andere Farben erzeugen, als nach Entfernen der Schutzschicht.
Auf diese Weise kann an entsprechenden Gegenständen gewissermaßen
eine eingebaute Uhr bzw. ein Verfallsdatum angebracht werden. Löst
sich die Schutzschicht bei Gebrauch des Gegenstands allmählich
ab, kommt es, sobald die Schutzschicht verloren ist, zu einem Farbumschlag
an der beugungsaktiven Struktur, die dann das Erreichen des Verfalldatums
anzeigt.
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Der
Mikroprägestempel besteht vorzugsweise aus einem hochfesten
harten Trägermaterial, wie beispielsweise Hartmetall. Auf
dem Mikroprägestempel kann eine Hartstoffschicht aufgebracht
sein, die ein Mikroprägerelief zur Erzeugung der beugungsaktiven
Strukturen in Form beugungsaktiver Prägestellen an dem
vorzugsweise aus Metall bestehenden Gegenstand aufweist. Die Hartstoffschicht
ist vorzugsweise eine DLC-Schicht (DLC steht für Diamond Like
Carbon, d. h. diamantähnlichem Kohlenstoff).
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Die
Größe des Mikroprägestempels kann von
der Größe des der Makroprägestation zugeordneten
Prägestempels abweichen. Auf diese Weise können
in einem Prägebild kleinere mikrogeprägte beugungsaktive
Strukturen erzeugt werden. Es ist möglich, die Mikroprägestellen
und die Makroprägestellen so anzuordnen, dass sie sich
vollkommen überlappen. Es ist auch möglich, eine
lediglich teilweise Überlappung vorzusehen oder eine Überlappung
ganz zu vermeiden.
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Der
Mikroprägestation ist vorzugsweise eine Reinigungseinrichtung
zugeordnet, die den Mikroprägestempel sauber hält.
Dies kann durch direkte gelegentliche Reinigung des Mikroprägestempels und/oder
durch Reinigung des der Mikroprägestation zugeführten
Gegenstands erfolgen. Als Reinigungseinrichtung ist vorzugsweise
eine Partikelstrahlreinigungseinrichtung vorgesehen. Diese kann
Blasdüsen aufweisen, mittels derer ein Partikelstrahl auf
das Prägerelief des Mikroprägestempels und/oder
den Metallgegenstand gerichtet werden kann. Als Partikelstrahl eignet
sich insbesondere ein Trockeneisstrahl. Alternativ können
Bürsten oder sonstige mechanische Reinigungseinrichtungen
vorgesehen sein, die mit dem Mikroprägestempel zusammenwirken.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung weist eine Auftrageinrichtung
für das Schutzmittel auf. Vorzugsweise ist die Auftrageinrichtung
als Sprühvorrichtung ausgebildet. Diese ist vorzugsweise
zwischen der Mikroprägestation und der Reliefprägestation
angeordnet. Der Gegenstand kann an seiner beugungsaktiv geprägten
Stelle mit dem Schutzmittel besprüht werden, wenn er von
einer Transfereinrichtung durch die Auftrageinrichtung geführt
wird.
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Die
Auftrageinrichtung trägt vorzugsweise ein flüssiges
Schutzmittel auf, das je nach Anforderungen flüssig bleiben
oder auch Aushärten kann. Es schützt die erzeugte
beugungsaktive Struktur vor Zerstörung während
des Reliefprägens.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung
ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Ansprüchen.
Die Zeichnung und die Beschreibung beschränken sich auf
eine schematische Wiedergabe wesentlicher Aspekte der Erfindung
und sonstiger Gegebenheiten. Die Zeichnung ist stark schematisiert.
Der Fachmann kann sie zur Ergänzung der Beschreibung heranziehen.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
veranschaulicht. Es zeigen:
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1 eine
Prägeeinrichtung in Form eines Presswerkzeugs bzw. einer
Presse in äußerst schematischer Darstellung.
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2 einen
Gegenstand vor Durchlaufen der Prägestationen als Rohling
in schematischer Seitenansicht.
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3 den
Rohling nach 2 nach Durchlaufen der Mikroprägestation
in schematischer Seitenansicht.
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4 die
an den Metallgegenstand erzeugte beugungsaktive Struktur in vergrößerter
Darstellung.
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5 die
an dem Gegenstand nach 3 erzeugte beugungsaktive Struktur
nach Aufbringen einer Schutzschicht und
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6 den
Metallgegenstand nach Durchlaufen der Reliefprägestation
in schematisierter Seitenansicht.
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In 1 ist
eine Prägeeinrichtung 1 veranschaulicht, die zur
Herstellung von kombiniert geprägten Metall- oder sonstigen
Gegenständen dienen kann. Unter kombinierter Prägung
wird dabei verstanden, dass das Prägebild beugungsaktive
Mikrostrukturen enthält, die im Auflicht Farbeffekte durch
Lichtinterferenz erzeugen und dass außerdem makroskopische
Strukturelemente vorhanden sind, wie sie bei geprägten
Gegenständen, wie Münzen oder dergleichen allgemein
vorhanden sind. Die Prägeeinrichtung enthält mehrere
Stationen, nämlich eine Mikroprägestation 2,
eine Auftrageinrichtung 3 und eine Relief-Prägestation 4.
Desweiteren kann eine Stanzstation 5 vorgesehen sein. Die
Mikroprägestation 2 dient dazu, an einem beispielsweise
aus Metall bestehenden Gegenstand, wie dem Rohling 6 nach 2 eine
beugungsaktive Struktur auszubilden. Die Auftrageinrichtung 3 dient
dazu, die soeben erzeugte beugungsaktive Struktur mit einem Schutzmittel,
wie beispielsweise einem Schutzfluid zu versehen. Die Reliefprägestation 4 dient
dazu, an dem Metallgegenstand ein makroskopisches Prägemuster
anzubringen. Die Stanzstation 5 dient beispielsweise zum
Prägen oder Stanzen des Rands des Metallgegenstands, der
beispielsweise eine Münze sein kann. Der Metallgegenstand
durchläuft die Stationen 2 bis 5 seriell.
Um den Werkstücktransport zu bewerkstelligen, ist eine
Transfereinrichtung 6 beispielsweise in Form eines oder
mehrerer Greifer vorgesehen. Die Transfereinrichtung 6 ist
in 1 äußerst schematisch veranschaulicht.
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Die
Mikroprägestation 2 und die Reliefprägestation 4 sowie
die optionale Stanzstation 5 können Stufen eines
Presswerkzeugs oder gesonderte Presswerkzeuge sein. Die Presswerkzeuge
können in unterschiedlichen Pressen oder wie es bevorzugt wird,
in ein und derselben Presse angeordnet sein. Sie weisenbeispielsweise
jeweils einen unteren Werkzeugteil 7, 8, 9 auf.
Diese ruhen z. B. auf einem gemeinsamen unteren Werkzeugträger 10.
Dieser kann auf einem nicht weiter veranschaulichten Pressentisch
angeordnet sein.
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Den
unteren Werkzeugteilen 7, 8, 9 sind obere
Werkzeugteile 11, 12, 13 zugeordnet.
Diese ruhen an einem gemeinsamen Werkzeugträger 14,
der beispielsweise an dem Pressenstößel befestigt
ist.
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Die
Werkzeugteile 7, 11, bilden die Mikroprägestation 2.
Einer der beiden Werkzeugteile 7, 11, oder auch
beide, sind mit einem Mikroprägestempel 15 versehen.
Dieser besteht beispielsweise aus Hartmetall mit einer Hartstoffauflage,
beispielsweise einer DLC-Auflage. In die DLC-Auflage ist eine Mikrogravur
beispielsweise durch Laserablation eingebracht. Diese erzeugt beim
Abdruck auf dem Metallgegenstand M eine beugungsaktive Struktur 16,
wie sie beispielsweise aus 4 ersichtlich
ist. Die Struktur 16 besteht aus mikrofeinen Vorsprüngen
und Ausnehmungen, deren Dimension in der Größenordnung
der Lichtwellenlänge liegt, so dass reflektiertes Licht
Interferenz und Beugungserscheinungen zeigt. Der Mikroprägestation 2 ist
vorzugsweise eine Reinigungsstation 17 zugeordnet. Diese
enthält z. B. eine Düse, die dazu eingerichtet
ist, einen Partikelstrahl, beispielsweise einen Trockeneisstrahl
auf die strukturierte Stirnfläche des Mikroprägestempels 15 zu
richten, um diesen sauber zu halten. Dies kann nach jedem Presshub
oder auch von Zeit zu Zeit oder bedarfsorientiert erfolgen.
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Die
zwischen der Reliefprägestation 4 und der Mikroprägestation 2 angeordnete
Auftrageinrichtung 3 enthält beispielsweise eine
Sprühdüse 18, die an eine nicht weiter
veranschaulichte Versorgungseinheit angeschlossen ist und gezielt
ein Schutzfluid aussprühen kann. Sie ist so orientiert,
dass sie dabei ein z. B. von der Transfereinrichtung 6 gehaltenes Werkstück
trifft.
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Die
Reliefprägestation 12 ist wie bei einer herkömmlichen
Prägepresse ausgebildet. Die Werkzeugteile 12, 8 enthalten
eine Gravur, in die der Gegenstand M eingelegt wird, um geprägt
zu werden. Die Werkzeugteile 9, 13 sind herkömmliche
Teile einer Stanzstation.
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Die
insoweit beschriebene Prägeeinrichtung 1 arbeitet
wie folgt:
Die Transfereinrichtung 6 legt den Rohling
M nach 2 zunächst in die Prägestation 2 ein,
wenn die Werkzeugteile 7, 11 offen sind, d. h.
voneinander wegbewegt sind. Wenn die Transfereinrichtung 6 aus dem
Werkzeug ausgefahren ist, folgt der Mikroprägeschritt,
in dem der Mikroprägestempel 15 an dem Gegenstand
M eine Mikroprägestruktur 19 erzeugt, wie sie
in 3 angedeutet ist. 4 veranschaulicht die
Mikroprägestruktur 19 in idealisierter Form. Sie enthält
die beugungsaktive Struktur 16 in Form kleinerer Erhebungen 20 und
Ausnehmungen 21, z. B. in Form von Stegen, die einen halben
bis wenige Mikrometer breit und einen halben bis wenige Mikrometer hoch
sind. Die beugungsaktive Struktur 16 erzeugt bei Lichteinfall
farbige Muster mit konstanten oder auch wechselnden Farben je nach
Lichteinfallsrichtung.
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Ist
die Mikroprägestruktur 19 ausgebildet, öffnet
das aus den Werkzeugteilen 7, 11 bestehende Werkzeug
wieder und die Transfereinrichtung 6 führt den
Gegenstand M aus dem Werkzeug heraus. Der Gegenstand M wird dann
durch die Auftrageinrichtung 3, d. h. unter der Sprühdüse 18 hindurchgeführt, die
im richtigen Moment einen Sprühstoß abgibt. Dadurch
wird die Mikropräge struktur 19, wie 5 zeigt,
mit einem Schutzfluid 22 gefüllt. Das Schutzfluid
kann ein Silikonöl, ein Mineralöl, ein Schutzlack oder
dergleichen sein. Danach wird der Gegenstand M zumindest einem weiteren
Prägeschritt zugeführt, wie sie auch sonst bei
einer makroskopischen Prägung von Gegenständen
angewandt werden. Das Schutzfluid 22 füllt dabei
die Mikroprägestruktur 19 aus und verhindert deren
Beschädigung oder Zerstörung.
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6 veranschaulicht
den Gegenstand M nachdem er die Prägestation 4 durchlaufen
hat. Der Mikroprägestruktur 19 ist ein makroskopisches
Prägemuster 23 überlagert, in das die
durch das Schutzfluid 22 geschützte Mikroprägestruktur 19 eingebettet ist.
Die Mikroprägestruktur 19 kann dabei etwas verformt
werden, ohne zerstört zu werden.
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Die
Erfindung kombiniert das beugungs- oder interferenzaktive Mikroprägen
eines Gegenstands mit dem üblichen makroskopischen Prägen, indem
an dem Gegenstand zuerst im Mikroprägeschritt beugungsaktive
Strukturen und danach makroskopische Prägestrukturen angebracht
werden. Nach dem Mikroprägeschritt wird auf die beugungsaktive
Prägestruktur ein Schutzfluid aufgebracht, das die Mikroprägestruktur
beim nachfolgenden Prägevorgang vor Beschädigungen
schützt. Das Schutzfluid kann danach auf der Mikroprägestruktur
verbleiben oder auch gezielt entfernt werden. Dazu können entsprechende
Reinigungsstationen vorgesehen sein.
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- 1
- Prägeeinrichtung
- 2
- Mikroprägestation
- 3
- Auftrageinrichtung
- 4
- Reliefprägestation
- 5
- Stanzstation
- 6
- Transfereinrichtung
- 7
- Werkzeugteil
- 8
- Werkzeugteil
- 9
- Werkzeugteil
- 10
- Werkzeugträger
- 11
- Werkzeugteil
- 12
- Werkzeugteil
- 13
- Werkzeugteil
- 14
- Werkzeugträger
- 15
- Mikroprägestempel
- 16
- Struktur
- 17
- Reinigungsstation
- 18
- Sprühdüse
- 19
- Mikroprägestruktur
- 20
- Erhebung
- 21
- Ausnehmung
- 22
- Schutzfluid
- 23
- Prägemuster
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2004/045866
A1 [0003]
- - DE 10002644 A1 [0005, 0005]
- - DE 19722575 A1 [0006]