-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen einer aus mehreren Schichtbereichen mit vorbestimmten geometrischen Abmessungen vorbestimmten Eigenschaften zusammengesetzten Schicht auf eine Substratoberfläche mittels eines Aufbringverfahrens, bei dem Flüssigkeitströpfchen elektronisch digital gesteuert auf eine Oberfläche aufgebracht werden und dort härten.
-
Aus der
WO 2004/062890 A2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem mittels eines Tintenstrahldruckverfahrens, bei dem Flüssigkeiten mit verschiedenen Eigenschaften abgespritzt werden, Schichten geschaffen werden, die aus unterschiedlichen Schichtbereichen zusammengesetzt sind, die jeweils von mittels des Tintenstrahldruckverfahrens aufgebrachten und ausgehärteten Flüssigkeiten bestehen.
-
Ein Problem, das beim Ausbilden von aus unterschiedlichen Schichtbereichen zusammengesetzten Schichten mittels des Tintenstrahldruckverfahrens besteht, liegt darin, dass die Oberseite der Schicht nur schwer mit genau vorgebbarer Qualität, beispielsweise Ebenheit, herstellbar ist, da unter der Oberfläche liegende Schichtbereiche, die von einer durchgehenden oberen Schicht überdeckt werden, beispielsweise wegen des Schrumpfens der jeweiligen Schichtbereiche bildenden Flüssigkeiten beim Aushärten keine wohl definierte Oberfläche bilden und sich durch die oberste Deckschicht hindurch abzeichnen, selbst wenn diese undurchsichtig ist.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Abhilfe für dieses Problem zu schaffen.
-
Eine Lösung dieses Problems wird mit einem Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
-
Die Unteransprüche 2 bis 5 sind auf vorteilhafte Durchführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.
-
Eine weitere Lösung des Problems wird mit einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 6 gelöst.
-
Die Ansprüche 7 und 8 sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerichtet.
-
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, bei der Herstellung der jeweiligen Schichtbereiche, die aus unterschiedlichen aushärtbaren Flüssigkeiten bestehen können, Veränderungen der jeweiligen Flüssigkeiten beim Aushärten, insbesondere Volumenänderungen, zu berücksichtigen, so dass jeweilige den Schichtbereichen zugeordnete Volumenbereiche nach dem Aushärten der jeweiligen Flüssigkeit weder über noch unterfüllt sind, sondern genau mit der jeweiligen ausgehärteten Flüssigkeit gefüllt sind. Dabei umfasst der Begriff Aushärten nicht lediglich eine mit einer Härtung verbundene Trocknung mit in der Flüssigkeit, die mehrere Komponenten haben kann, die getrennt voneinander aufgebracht werden und deren Tröpfchen sich mischen, ablaufenden Reaktionen, oder dem Verdampfen von Bestandteilen, sondern auch weitere Prozessschritte, wie beispielsweise Sintern von in der Flüssigkeit enthaltenden Feststoffen.
-
Der Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
-
In den Figuren stellen dar:
-
1 eine schematische Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
-
2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß mit einer Schicht versehenes Substrat,
-
3 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines mit einer Schicht versehenen Substrates und
-
4 eine Teilansicht eines mit einer Schicht versehenen Substrates mit gewölbter Oberfläche.
-
Über digital gesteuerte Druckköpfe lassen sich unterschiedlichste Flüssigkeiten oder Substanzen, die in Flüssigkeiten gelöst sind, positionsgenau auf Oberflächen abspritzen. In den Flüssigkeiten enthaltene Partikel müssen dabei so klein sein, dass sie durch in den Druckköpfen angeordnete Düsen hindurch abgegeben werden können, beispielsweise Nanopartikel.
-
In der Flüssigkeit enthaltene Substanzen können beispielsweise sein:
- – Farbpigmente,
- – leitfähige, beispielsweise metallhaltige Partikel zur Herstellung elektrischer Leitfähigkeit;
- – magnetische Partikel zur Herstellung vorbestimmter magnetischer Eigenschaften,
- – verschleißfeste Partikel zur Herstellung verschleißfester Oberflächen,
- – Partikel zur Herstellung seidenmatter oder matter Oberflächen.
-
Als Grundflüssigkeiten können beim Trocknen aushärtende Flüssigkeiten dienen, die transparent oder durch Beifügung entsprechender Substanzen transluzent oder undurchsichtig sind und die glänzende oder seidenmatte oder matte Oberflächen bilden.
-
Gemäß 1 weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung eine in ihrem Aufbau an sich bekannte elektronische Steuereinrichtung 10 mit einem Datenspeicher, einem Programmspeicher, einem Prozessor, einer Dateneingabevorrichtung, einem Bildschirm und Steuerausgängen auf, über die eine Tintenstrahldruckeinrichtung 12 gesteuert wird.
-
Ein in Form elektronischer Daten vorhandenes virtuelles Bauteil ist insgesamt mit 14 bezeichnet und enthält ein Substrat 16, auf dessen Oberfläche eine Schicht 18 aufgebracht werden soll.
-
Die Außenkontur der Schicht 18 ist links in der 1 gestrichelt dargestellt. Die Schicht 18 enthält mit durchgehenden Linien gekennzeichnete Funktionsschichtbereiche 20, die vorbestimmte optische, mechanische, elektrische und und/oder magnetische Eigenschaften haben sollen oder in deren Volumina vorgefertigte Funktionsmodule, beispielsweise Halbleiterschaltungsmodule eingesetzt werden können.
-
Rechts in 1 ist die Begrenzung der Schicht 18 mit durchgehenden Linien eingezeichnet und sind die Funktionsschichtbereiche gestrichelt eingezeichnet. Das Volumen zwischen den Funktionsschichtbereichen 20 und der Außenkontur der Schicht 14 wird durch Füllschichtbereiche 22 ausgefüllt, die keine spezielle Funktion erfüllen, sondern der Ausfüllung der gesamten Schicht 18 mit Material dienen.
-
Mit 24 ist ein Deckschichtbereich bezeichnet, der über der Schicht 14 angeordnet werden soll.
-
Unterhalb der perspektivischen Darstellung des virtuellen Substrates 16 mit darüber angeordneter virtueller Schicht 14 ist links in 1 eine Schnittansicht gezeigt, die die Funktionsschichtbereiche 20 dunkel und die diese umgebenden Füllschichtbereiche 22 innerhalb der Kontur der Schicht 14 hell zeigt. Rechts in 1 sind in der gleichen Schnittansicht die Füllschichtbereiche 22 dunkel und die Funktionsschichtbereiche 20 hell dargestellt. Wie ersichtlich, ergänzen sich die Funktionsschichtbereiche 20 und die Füllschichtbereiche 22 komplementär und füllen zusammen das Volumen der Schicht 18.
-
Es muss nicht zwingend das gesamte Volumen der Schicht 18 mit Material gefüllt sein. Beispielsweise kann ein Funktionsschichtbereich einen Hohlkanal 26 enthalten, über den ein innerer Funktionsschichtbereich, der beispielsweise druckempfindlich ist, mit der Umgebung der Schicht 18 verbunden ist.
-
Alle Schichtbereiche 20, 22 und 24 werden in die Steuereinrichtung 10 in Form von Volumenelementen eingegeben, die als Information die Flüssigkeit, aus der das jeweilige Volumenelement gebildet werden soll, die geometrische Lage des Volumenelementes in Bezug zur Oberfläche des Substrates 16 sowie das Volumen des jeweiligen Volumenelements enthalten.
-
Es sei darauf hingewiesen, dass es genügt, beispielsweise nur die Funktionsschichtbereiche 20 und die Außenkontur der Schicht 18 einzugeben. Die Füllschichtbereiche 22 können dann von der Steuereinrichtung 10 selbst erzeugt werden.
-
Bezugszeichen 30 stellt schematisch unterschiedliche Formen des Substrates 16 dar, das nicht zwingend eine ebene Oberfläche enthalten muss, auf die die Schicht 14 aufgebracht werden soll.
-
Die Funktionsschichtbereiche 20, die mit unterschiedlicher Geometrie und unterschiedlichen Funktionen ausgebildet sein können, ergeben insgesamt eine Funktionsstruktur, mit der unterschiedlichste Funktionalitäten von zu erzeugenden Bauteilen erzielt werden können.
-
Die Tintenstrahldruckeinrichtung 12 enthält verschiedene Druckköpfe 30a, 30b und 30c, die jeweils eine oder mehrere Düsen enthalten. Die Düsen der Druckköpfe 30a, 30b und 30c können aus einem Flüssigkeitsvorrat 32 mit unterschiedlichen Flüssigkeiten beschickt werden. Der Flüssigkeitsvorrat 32 enthält unterschiedliche Flüssigkeitsbehälter, in denen jeweils eine Funktionsflüssigkeit oder eine Füllflüssigkeit oder konventionelle Färbeflüssigkeiten zur Herstellung von Dekoren bzw. graphischen Muster, Bildern usw. verwendet werden.
-
Vorteilhafterweise sind die Flüssigkeiten den einzelnen Düsen oder Düsengruppen der Druckköpfe 30 fest zugeordnet, die auf die Flüssigkeiten abgestimmt sind.
-
Die Vorrichtung enthält weiter einen unterhalb der Druckköpfe 30 angeordneten Träger 36 auf den das Substrat 16 aufsetzbar ist.
-
Nicht dargestellt ist eine in ihrem Aufbau an sich bekannte Bewegungseinrichtung, die ebenfalls von der Steuereinrichtung 10 gesteuert wird und mit der sich eine Relativbewegung zwischen der Oberfläche des Trägers 36 und den Düsen der Druckköpfe in drei Dimensionen herstellen lässt. Beispielsweise kann der Träger 36 nach rechts und links bewegbar sein und die Druckköpfe können senkrecht zur Papierebene und senkrecht zur Bewegungsrichtung des Trägers 36 bewegbar sein.
-
Zusätzlich ist eine Sensorvorrichtung 40 vorgesehen, mit der der Abstand der jeweiligen Oberfläche, auf die Flüssigkeit aufzubringen ist von der Oberfläche des Trägers 36, und vorteilhafterweise optische Eigenschaften der Oberfläche, beispielsweise deren Reflektionsvermögen, erfassbar sind.
-
Wenn die geometrischen Daten der jeweiligen Schichtbereiche sowie die Daten der den einzelnen Schichtbereichen zugehörigen Flüssigkeiten in die Steuereinrichtung 10 eingegeben sind, errechnet die Steuereinrichtung die für ein jeweiliges Volumenelement eines jeweiligen Schichtbereiches erforderliche in das Volumenelement einzubringende Flüssigkeitsmenge, die je nach den Eigenschaften der Flüssigkeit von dem Volumen des Volumenelements abweichen kann. Beispielsweise kann ein Teil einer Flüssigkeit vor dem Erhärten verdampfen; die Flüssigkeit kann beim Erhärten schrumpfen; ein Funktionsbereich, der beispielsweise durch eine Flüssigkeit gebildet wird, der elektrisch leitfähige Teilchen beigemengt sind, kann zusätzlich gesintert werden, wodurch Volumenänderungen eintreten, usw. Der Unterschied zwischen dem Flüssigkeitsvolumen, das in ein Volumenelement eines Schichtbereiches einzubringen ist, und dem Volumenelement des Schichtbereiches wird empirisch oder rechnerisch ermittelt und bei der Ansteuerung der Druckköpfe berücksichtigt. Dieser Unterschied kann zusätzlich von der Dimensionierung einer jeweiligen Düse und dem je digitaler Ansteuerung der Düse abgespritzten Flüssigkeitsvolumen abhängen.
-
Die Funktion der beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt:
In die Steuereinrichtung 10 werden zunächst geometrische Daten eingegeben, die die Oberfläche des Substrates 16 und die Schichtbereiche der darauf auszubildenden Schicht 14 beschreiben. Die einzelnen Schichtbereiche werden dabei beispielsweise in Form von Volumenelementen, die durch die Lage des Mittelpunktes des jeweiligen Volumenelementes und dessen Volumen gekennzeichnet sind, oder in Form von Flächenelementen einer zu bedruckenden Fläche und deren Dickte eingegeben. Weiter werden die Flüssigkeiten eingegeben, mit denen die einzelnen Volumenelemente gefüllt werden sollen. Für die einzelnen Flüssigkeiten werden Parameter eingegeben, die beispielweise eine Schrumpfung eines abgespritzten Flüssigkeitströpfchens von der Abgabe aus einer Düsenöffnung bis zum Erhärten der Flüssigkeit kennzeichnen. Wenn eine solche Volumenabnahme beispielsweise 5% beträgt, ist das abzuspritzende Flüssigkeitsvolumen 5% größer als das Volumen des jeweiligen Volumenelementes, das mit der Flüssigkeit gefüllt werden soll. Das den einzelnen Schichtvolumenelementen zugeordnete abzuspritzende Flüssigkeitsvolumen wird in der Steuereinrichtung 10 errechnet.
-
Anschließend wird das zu beschichtende Substrat 16 auf den Träger 36 aufgelegt und wird die Tintenstrahldruckeinrichtung 12 mittels nicht dargestellter, eine Bewegungseinrichtung bildender Aktoren in eine Lage gebracht, in der sich Austrittsöffnungen der Düsen der Druckköpfe 30a, 30b und 30c in einem vorbestimmtem Abstand über der Oberfläche des Substrates 16 und in vorbestimmter geometrischer Beziehung zu der Oberfläche des Substrates 16, beispielsweise einer Kante der Oberfläche befinden. Anschließend wird der Druckvorgang durchgeführt, indem das Substrat 16 relativ zu der Druckeinrichtung 12 bewegt wird und die Schicht aufgebaut wird. Vorteilhafterweise geschieht dies derart, dass die Schicht 14 in Dickenrichtung aufgebaut wird. Die Menge der je Flächeneinheit abgespritzten Flüssigkeit kann durch das Volumen der einzelnen Flüssigkeitströpfchen, die Frequenz mit der Flüssigkeitströpfchen abgespritzt werden oder die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Substrat 16 und der Druckeinrichtung 12 bestimmt werden. Für benachbarte Schichtbereiche können Flüssigkeiten verwendet werden, die sich nicht miteinander mischen, so dass scharfe Grenzen zwischen den Bereichen entstehen. Es können auch mischbare Flüssigkeiten verwendet werden, so dass die Ränder unscharf sind. Die Trennflächen zwischen benachbarten Bereichen müssen nicht, wie dargestellt, senkrecht oder wagrecht verlaufen, sondern können schräg oder in jeder Weise gewölbt verlaufen. Die Aushärtung der aufgespritzten Flüssigkeit wird durch die jeweilige Basisflüssigkeit und deren Härtebedingungen eingestellt, wobei zur rascheren Aushärtung nicht dargestellte Heizeinrichtungen, UV Bestrahlungseinrichtungen usw. verwendet werden können. Es ist auch möglich, zweikomponentige Flüssigkeiten zu verwenden, wobei die einzelnen Volumen- bzw. Flächenelemente mit Flüssigkeitströpfchen jeweils einer Komponente belegt werden, die bei deren Zusammentreffen aushärten.
-
Durch Hin und Her Bewegen des Substrates 16 im Sinne des Doppelpfeils unten in 1 sowie der Druckköpfe wird die Schicht 14 sukzessive aus übereinander angeordneten Schichtelementen entsprechend den jeweiligen Schichtbereichen aufgebaut, wobei nach einer Ausbildung von jeweils einem Schichtelement der Abstand zwischen den Austrittsöffnungen der Düsen und der Oberfläche des Substrates 16 um die Dicke eines Schichtelementes vergrößert wird.
-
Mit der Sensorvorrichtung 40 kann die Oberfläche eines jeweils aufgebrachten Schichtelementes abgetastet werden, so dass Ungenauigkeiten beispielsweise der Höhe erkannt werden und von der Steuereinrichtung 10 korrigiert werden können.
-
Die Schicht 14 muss nicht notwendigerweise insgesamt schichtelementweise aufgebaut werden; es können auch einzelne Schichtbereiche zunächst in sich vollständig ausgebildet werden und dann durch die anderen Schichtbereiche ergänzt werden.
-
Wenn die Schicht 14 vollständig ausgebildet ist, kann darüber ein Deckschichtbereich 24 ausgebildet werden, der die Oberfläche grafisch gestaltet und/oder verschleißfest oder chemisch resistent macht.
-
Dadurch, dass erfindungsgemäß eine etwaige Volumenabnahme der die einzelnen Schichtbereiche bildenden Flüssigkeiten berücksichtigt wird, kann die Schicht 14 mit planer Oberfläche ausgebildet werden, selbst wenn die Oberfläche von unterschiedlichen Schichtbereichen gebildet ist oder unterschiedliche Schichtbereiche unmittelbar unter der Oberfläche angeordnet sind.
-
Die Oberfläche der Schicht 14 eignet sich somit gut für das Aufbringen eines Deckschichtbereiches 24 mit perfektem Oberflächenaussehen, beispielsweise einer homogenen Farbe oder eines mehrfarbigen Musters, so dass die darunter befindlichen Funktionsbereiche perfekt verdeckt und unsichtbar sind.
-
Die Schicht 14 kann in unterschiedlichster Weise aufgebaut sein.
-
2 zeigt einen Querschnitt durch eine Schicht, bei der ein Funktionsschichtbereich 20a nicht vollständig von Füllschichtbereichen 22 umgeben ist, sondern in einem Teilbereich 42 nach oben frei liegt, wobei dieser Teilbereich 42 auch von dem Deckschichtbereich 24 nicht abgedeckt wird, so dass der Funktionsschichtbereich 20a für eine elektrische Kontaktierung oder eine Bedienung freiliegt, wobei diese Bedienung berührungslos erfolgen kann, wenn der Funktionsschichtbereich 20a beispielsweise einen kapazitiven Schalter bildet, oder mit Berührung erfolgen kann, wenn der Funktionsschichtbereich 20a druckempfindlich ist. Ein weiterer Teilbereich 42' verbindet einen Schichtbereich 20' mit der Umgebung, wobei in dem Schichtbereich 20' ein vorgefertigter, druckempfindlicher elektronischer Baustein integriert sein kann, der über im Funktionsbereich 20' enthaltene, durch leitfähige ausgehärtete Flüssigkeit gebildete Leiterbahnen elektrisch kontaktiert wird.
-
3 zeigt einen Schnitt durch eine abgeänderte Ausführungsform, bei der zwischen der Schicht 14 und dem Substrat 16 eine Haftvermittlerschicht 44 angeordnet ist, die ein sicheres Haften der Schichtbereiche der Schicht 14 auf der Oberfläche des Substrates 16 gewährleistet. Eine solche Haftvermittlerschicht, die ebenfalls mittels digitaler Strahl bzw. Tröpfchenbedruckung aufgebracht werden kann, ist zweckmäßig, wenn das Substrat 16 aus Metall, Kunststoff, Glas oder einem saugenden Material besteht. Die Zwischenschicht 44 kann auch gezielt elektrisch isolierend sein, so dass Funktionsschichtbereiche elektrisch sicher von der Substratoberfläche 16 isoliert sind. Die Oberfläche des Füllschichtbereiches 22 ist uneben, um vorbestimmte Eigenschaften, wie Kühleigenschaften, optische Eigenschaften usw. zu erzielen.
-
4 zeigt eine Schnittansicht, bei der die Oberfläche des Substrates 16 gewölbt ist. Bei konvexer Wölbung (dargestellt) nimmt die Oberfläche der Schichtbereiche mit steigendem Abstand von der Oberfläche des Substrates 16 zu; bei konkaver Oberfläche des Substrates 16 nimmt die Fläche der Schichtbereiche mit steigendem Abstand von der Oberfläche des Substrates 16 ab. Dies kann von der Steuereinrichtung 10 selbsttätig berücksichtigt werden, in dem die Schicht zunächst als aufgetragen auf eine plane Substratoberfläche eingegeben wird und die Schichtbereiche dann bei Eingabe der Wölbung entsprechend korrigiert werden.
-
Mit der Zusammensetzung der Schicht aus Funktionsschichtbereichen und Füllschichtbereichen können Bauteile für unterschiedlichste Anwendungszwecke hergestellt werden, wobei die Funktionsschichtbereiche durch Bedrucken hergestellte elektrische Leiterbahnen enthalten können, die an Außenrändern der Funktionsschichtbereiche für eine Kontaktierung freiliegen und selbst so angeordnet sind, dass sie beispielsweise kapazitive, bei Annäherung eines Fingers schließende Schaltelemente bilden oder die in die Schichten integrierte elektronische Bausteine, wie Näherungsschalter, Sensoren usw. elektrisch anschließen.
-
Anwendungsgebiete der Erfindung sind beispielsweise Oberflächen von Gebrauchsgütern, wie Elektrogeräte mit ästhetisch anspruchsvollen Oberflächen, Schalttafeln von Kraftfahrzeugen, Bedienpanels von Anlagen usw.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Steuereinrichtung
- 12
- Tintenstrahldruckeinrichtung
- 14
- virtuelles Bauteil
- 16
- Substrat
- 18
- Schicht
- 20
- Funktionsschichtbereiche
- 22
- Füllschichtbereiche
- 24
- Deckschichtbereich
- 26
- Hohlkanal
- 30
- Druckkopf
- 32
- Flüssigkeitsvorrat
- 36
- Träger
- 40
- Sensorvorrichtung
- 42
- Teilbereich
- 44
- Zwischenschicht
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
