DE102012107827A1

DE102012107827A1 - Verfahren zur Erzeugung von Glanzeffekten auf Presswerkzeugen

Info

Publication number: DE102012107827A1
Application number: DE102012107827.0A
Authority: DE
Inventors: Ralf Niggemann
Original assignee: Sandvik Materials Technology Deutschland GmbH
Current assignee: Berndorf Band GmbH
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2014-02-27
Also published as: CN104736290A; EP2888074A1; US20150183056A1; WO2014029868A1; RU2015110321A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen des Glanzgrades einer strukturierten Oberfläche eines Presswerkzeugs, insbesondere eines Pressblechs oder Pressbands, bei dem mit einem energetischen Strahl, insbesondere einem Laserstrahl, mindestens ein Teil der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 1 bis 5 μm, vorzugsweise bis zu einer Tiefe von 1 bis 3 μm, umgeschmolzen wird. Damit steht ein gegenüber herkömmliche Polierverfahren für Pressplatten erheblich schnelleres und kostengünstigeres Verfahren zur Verfügung, mit dem darüber hinaus eine Änderung des Glanzgrades der Werkzeugoberfläche erfolgen kann, die von der Oberflächenstruktur unabhängig ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen des Glanzgrades einer strukturierten Oberfläche eines Presswerkzeugs, insbesondere eines Pressblechs oder Pressbands.
Oberflächenstrukturierte großformatige Pressbänder (auch als Endlospressbänder bezeichnet) und Pressbleche dienen dazu, Substrate wie insbesondere Platten- oder Bandmaterial zu dekorativen oder technischen Zwecken mit einer Oberflächenstruktur zu versehen. Oberflächenstrukturiertes Platten- oder Bandmaterial wird beispielsweise in der Möbel-, Fußboden-, Bau- und Nutzfahrzeugindustrie verwendet. Das Material wird beispielsweise aus diversen Kunststoffen hergestellt. Ebenso kommen Span-, Sperrholz- und MDF-Platten zur Anwendung, die mit durch Melaminharz getränkten Filmen/Papieren/Dekoren auf ihrer Nutzseite (Oberseite) oder Unterseite beschichtet werden. Bei der Produktion von Fußböden oder Nutzfahrzeugböden ebenso wie bei Bauplatten wird dem Melaminfilm/-papier auf der Nutzfläche zusätzlich ein definierter Anteil von Korundmaterialien beigegeben, um der Plattennutzfläche die erforderliche Abriebfestigkeit zu verleihen. Für dekorative Anwendungen werden die Oberflächen der Platten mit dekorativen Strukturen, wie beispielsweise Holz-, Stein- oder anderen Strukturen (beispielsweise perlförmige oder feinstreifige Oberflächenstrukturen, etc.) versehen. Platten für die Bau- und Nutzfahrzeugindustrie erhalten beispielsweise technisch-geometrische Strukturen, wie Rauten, Näpfchen oder Riffelungen, um beispielsweise Rutschfestigkeit zu bewirken.
Bei der Herstellung von Plattenmaterial kommen Doppelband- und Heizpressen zum Einsatz. In den Heizpressen werden einzelne Pressbleche mit der zu prägenden Platte (Prägnat) oder kassettierte Blechstapel aus Pressblech-/Prägnat-Paaren eingesetzt. In den Pressen werden die Prägnate unter definiertem Druck und Temperatur geprägt.
Die Herstellung von den oben genannten, meist aus einem Stahlwerkstoff gefertigten Presswerkzeugen erfolgt üblicherweise durch Auftragen einer strukturierten, ätzresistenten Maske auf die zu strukturierende Oberfläche des Presswerkzeugs und nachfolgendes Ätzen der maskierten Oberfläche. Die ätzresistente Maske wird üblicherweise auf die Oberfläche aufgedruckt. Nach dem Ätzen wird die Maske mechanisch oder elektrolytisch entfernt und die Oberfläche gereinigt. Dieser Vorgang wird so oft mit verschiedenen strukturierten Masken wiederholt, bis die gewünschte Endstruktur erreicht ist. Die Struktur entsteht somit durch das Erzeugen eines Höhenprofils auf der Oberfläche in Form der Maske(n). Eine andere Möglichkeit des Erzeugens einer Struktur auf der Oberfläche besteht darin, die Oberfläche in Teilen oder ganz beispielsweise durch Sandstrahlen mit entsprechend hartem Strahlgut umzuformen, so dass hierdurch Oberflächeneffekte entstehen, die dann von dem Presswerkzeug auf das Prägnat übertragen werden können.
In der Regel wird dann die strukturierte Oberfläche des Werkzeugs verchromt. Dadurch wird seine Lebensdauer erhöht, ein definierter Glanzgrad der herzustellenden Plattenoberfläche eingestellt und ein leichteres Entformen der Platte (Ablösen des Presswerkzeugs vom Prägnat) nach dem Prägen ermöglicht. Die Struktur der Oberfläche des Presswerkzeugs entspricht dann dem Negativ der auf dem Plattenmaterial zu erzeugenden Oberflächenstruktur. Das Bedrucken und Ätzen der Presswerkzeuge erfolgt jeweils vollflächig.
Die Herstellung der jeweiligen glatten Presswerkzeuge vor der Oberflächenstrukturierung erfolgt durch entsprechende Schleif- und Polierarbeitsgänge. Bei diesen Arbeitsgängen werden die Oberflächen der Pressbänder oder Pressbleche jeweils vollflächig mechanisch bearbeitet, so dass eine homogene und sehr gleichmäßige Oberfläche und bei Polituren ein Oberflächenglanz entsteht.
Die teilweise Politur von strukturierten Oberflächen der Presswerkzeuge dient der Erzeugung von zusätzlichen Glanzeffekten. Durch diese zusätzlich zur bereits vorhandenen strukturierten Oberfläche aufgebrachten Effekte kann die Oberflächenaussage des Prägnats bezüglich ihres gesamten visuellen Effektes nachhaltig verbessert werden (z. B. Verbesserte naturidentische Darstellung eines Holzdekores, schimmernde Oberflächen, o. ä.). Ein Glanzeffekt kann z. B. durch ein sehr geringes Anschleifen einer bereits fertig verchromten Oberfläche erzeugt werden. Die Dicke der aufgebrachten Chromschicht muss dabei so bemessen sein, dass ein Anschleifen der Oberfläche mit einem möglichst feinem Schleifmedium (z. B.. Schleifband K1000) möglich ist, ohne das die Chromschicht durch den Schleifvorgang durchbrochen wird. So können die höchsten Erhebungen einer Struktur so fein geglättet werden, dass ein starker Glanzeffekt entsteht. Die geglätteten Strukturelemente werden dann den Strukturgrund des Prägnats in einer Abpressung wesentlich heller erscheinen lassen als den übrigen Strukturbereich. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass sich mit dieser Bearbeitung lediglich die erhabenen Strukturelemente der Struktur auf einem Pressband oder Pressblech polieren lassen. Dies schränkt die möglichen Gestaltungsvarianten deutlich ein.
Ein weiteres Verfahren ist in der DE 10 2007 055 053 A1 beschrieben, bei dem zur Bearbeitung einer strukturierten Oberfläche eines Presswerkzeugs, bei dem die Oberfläche mit einer ersten metallischen Beschichtung vollflächig versehen wird und auf der ersten eine zweite weitere metallische Beschichtung angeordnet wird, wobei sich der Glanzgrad der ersten Beschichtung von der der weiteren Beschichtung unterscheidet.
Glanzeffekte können auch durch einen elektrolytischen Prozess erzeugt werden. Hierbei wird auf das zu polierende Pressband oder Pressblech eine Struktur aufgedruckt. Anschließend wird die Oberfläche in einem elektrolytischen Verfahren poliert. Die verwendete Druckfarbe schützt Strukturbereiche vor dem elektrolytischen Angriff, so dass nur die nicht bedruckten Bereiche poliert werden. Nach dem Entfernen der aufgedruckten Struktur erscheinen die jetzt wieder frei gelegten Bereiche mit dem ursprünglichen Glanz, der in der Regel deutlich matter ist.
Das in der DE 10 2007 055 053 A1 offenbarte Verfahren sowie der elektrolytische Prozess sind aufwändig und machen je nach angestrebter Politur mehrere Arbeitsschritte erforderlich (Bedrucken, Ätzen bzw. Polieren, Reinigen). Diese Arbeitsschritte müssen teilweise mehrfach mit immer neuen Druckvorgängen wiederholt werden. Zudem sind diese Verfahren in Bezug auf die ökologische Unbedenklichkeit kritisch, und sie erfordern einen hohen Energiebedarf.
Der beanspruchten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in Bezug auf die genannten Nachteile effizienteres Verfahren bereit zu stellen. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Unter Oberfläche des Presswerkzeugs wird hier und im Folgenden die beim Prägen eines Prägnats wirksame Oberfläche des Presswerkzeugs verstanden.
Als energetische Strahlung kommt in erster Linie Laserstrahlung in Betracht. Es ist aber auch eine andere energetische Strahlung wie beispielsweise eine Elektronenstrahlung verwendbar, mit der eine ausreichende Energie in die Oberfläche so eingekoppelt werden kann, dass sie bis zu einer Tiefe von 1 bis 5 μm (vorzugsweise bis zu einer Tiefe von 1 bis 3 μm) umgeschmolzen wird.
Beim Umschmelzen der Oberfläche des Presswerkzeugs in einem Bereich von <= 5 μm wird das Material geschmolzen, aber nicht oder nur in geringem Maße abgetragen. Dadurch bleibt die Makrostruktur der Presswerkzeugoberfläche, also das zu prägende Muster, erhalten. Jedoch wird durch das Umschmelzen das Material an der Oberfläche umverteilt, so dass bereits hierdurch die mikrostrukturelle Oberflächenrauigkeit verringert wird. Nach dem schnellen Abkühlen nach dem Schmelzen des Materials kann sich darüber hinaus ein feinkörnigeres Materialgefüge bilden. Auch hierdurch wird eine glattere Struktur erzeugt. Schließlich kann die Oberflächenrauigkeit zusätzlich durch ein geringfügiges Abtragen der Oberfläche durch Verdampfung von Oberflächenmaterial verringert werden. Somit wird durch das Umschmelzen der obersten Oberflächenschicht eine Oberfläche mit einer vergleichsweise sehr geringen Rauigkeit erzeugt. Eine solche Oberfläche hat zwangsläufig einen höheren Glanzgrad als die Oberfläche vor der Behandlung mit der energetischen Strahlung.
Zum Umschmelzen wird die energetische Strahlung zweckmäßigerweise zeilenweise oder mäanderförmig über einzelne Abschnitte der Presswerkzeugoberfläche oder über die gesamte Oberfläche des Presswerkzeugs geführt. Dabei können sich die nebeneinanderliegenden Zeilen überlappen. Die Zeilenbreite entspricht der Breite der Strahlung und kann beispielsweise in einem Bereich von 50 bis 500 μm liegen. Ein Spurversatz kann beispielsweise zwischen 10 und 200 μm liegen.
Durch Variation der Laserparameter wie Energie, Strahlungsbreite und Vorschubgeschwindigkeit der Strahlung auf der Oberfläche kann der Glanzgrad stufenlos variiert werden, so dass bestimmte Abschnitte einen höheren Glanzgrad erhalten als andere. Dadurch können weitere optische Effekte auf dem Presswerkzeug und damit auf dem damit herzustellenden Prägnat erzeugt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einem Arbeitsgang erfolgen, ohne dass es zusätzlicher Arbeitsschritte oder zusätzlicher Beschichtungen der Oberfläche bedarf. Vorherige Schritte zur Behandlung der Oberfläche mit einem energetischen Strahl, mit dem die Oberfläche deutlich tiefer umgeschmolzen wird, wie es beispielsweise in der DE 103 42 750.3 beschrieben ist und die eine ähnliche Oberflächenbehandlung zum Polieren und Strukturieren von Werkzeugoberflächen betrifft, sind ebenso wenig notwendig. Dies hat insbesondere damit zu tun, dass die Oberfläche des Presswerkzeugs zum Erzeugen seiner Oberflächenstruktur bereits eine Oberflächenbehandlung erfahren hat, beispielsweise geätzt worden ist. Soll die Behandlung der Presswerkzeugoberfläche ein oder mehrere Male wiederholt werden, macht es Sinn, die Bearbeitungsrichtung um 90° zu verdrehen, um das Glättungsergebnis zu verbessern.
Natürlich kann die erfindungsgemäß bearbeitete Oberfläche trotzdem nachfolgend beschichtet werden, beispielsweise um ihr eine besondere mechanische oder chemische Widerstandsfähigkeit zu geben. Die über die erfindungsgemäße Oberflächenbehandlung eingebrachten Glanzgradänderungen werden hierdurch nicht wesentlich geändert. So kann die erfindungsgemäß behandelte Oberfläche vorzugsweise mit einer Chrombeschichtung, beispielsweise mit einer Dicke in einem Bereich von 6 bis 12 μm, versehen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut für Presswerkzeuge mit einer Oberfläche aus Stahl, und zum Umschmelzen insbesondere eine gepulste energetische Strahlung verwendet wird. Es kann aber auch ein kontinuierliche Strahlung verwendet werden.
Die Umschmelzdauer beträgt vorzugsweise 1 bis 10 s/cm².
Als Strahlungsquelle kommt insbesondere ein ND:YAG-Laser oder ein Excimer-Laser in Betracht. Die Leistung der energetischen Strahlung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 50 bis 250 W. Der Fokus der Strahlungsquelle liegt bevorzugt in einem Bereich von 150–400 μm.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Umschmelzen in Abhängigkeit von der Strukturtiefe der Makrostruktur der Oberfläche, wobei ein Sensor vorgesehen ist, der dem energetischen Strahl vorausläuft und mit dem die Strukturtiefe an einer Stelle der Oberfläche bestimmt wird und der Energiestrahl in Abhängigkeit von der festgestellten Strukturtiefe ein- und ausgeschaltet wird. Damit ist es möglich, bestimmte Strukturtiefenbereiche festzulegen, in denen der Glanzgrad der Oberfläche verändert werden soll. Beispielsweise kann der Glanzgrad im Wesentlichen nur im Strukturgrund, also in den tiefsten Bereichen der Makrostruktur der Oberfläche, geändert werden. Zusätzlich oder alternativ ist möglich, den Glanzgrad der Makrostruktur in den höchsten Bereichen der Makrostruktur zu erhöhen bzw. zu ändern, und/oder in einem oder mehreren Ebenen zwischen dem Strukturgrund und den höchsten Bereichen der Makrostruktur. Damit lassen sich auf einem mit dem Presswerkzeug herzustellenden Prägnat ganz neuartige optische Effekte erzielen, beispielsweise eine Veränderung des wahrgenommenen Glanzgrads der Oberfläche eines Prägnats in Abhängigkeit vom Blickwinkel des Betrachters.
Dabei können beispielsweise über eine Softwaresteuerung Strukturebenen bzw. Strukturbereiche vorgegeben werden, deren Glanzgrad verbessert werden soll. So kann die Makrostruktur der Oberfläche beispielsweise eine Tiefe von etwa 100 μm haben, und es wird festgelegt, dass die Struktur in den Bereichen umgeschmolzen wird, in denen die Oberfläche 30 bis 70 μm höher ist als der Strukturgrund, also der tiefsten Ebene der Struktur von 100 μm. Außerdem können flächige Abschnitte der Oberfläche festgelegt werden, in denen eine Oberflächenbehandlung grundsätzlich nicht stattfinden soll, oder in denen sie grundsätzlich vollflächig stattfinden soll, oder eben in Abhängigkeit vom Höhenprofil der (Makro-) Struktur der Oberfläche. Die Strahlung wird dann eingeschaltet, wenn der Messsensor festgestellt hat, dass die Höhe des Strukturprofils in dem für die Bearbeitung festgelegten Bereich liegt, und/oder wenn sich die Strahlungsquelle in einem Oberflächenabschnitt befindet, in dem eine Oberflächenbehandlung stattfinden soll. Trifft mindestens eine dieser beiden Voraussetzungen nicht zu, wird oder bleibt die Strahlungsquelle ausgeschaltet. Der mit der Behandlung zu erreichende Glanzgrad kann auf diese Wese in Abhängigkeit von der jeweiligen Position der Strahlungsquelle vorbestimmt werden.
So können nicht nur optische Effekte, sondern ganze Bildinformationen auf die Oberfläche des Presswerkzeugs übertragen werden, wobei spezifische Glanzgrade beispielsweise verschiedenen Grauwerten eines Graustufenbildes entsprechen.
Beispiele für eine Glanzgradanpassung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind den Bildern 1 bis 3 zu entnehmen, die Beispiele von Abschnitten von Pressplatten zeigen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt wurden.
Bild 1 zeigt eine Pressblechoberfläche, deren in der Abbildung untere Hälfte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurde. Zu sehen ist, dass die gesamte untere Hälfte des Blechs oberflächenbehandelt wurde, wobei die Oberflächenstruktur in vorher festgelegten streifigen Abschnitten in den Bereichen einen anderen Glanzgrad aufweist, die gegenüber den daneben liegenden Bereichen der Struktur eine bestimmte Mindesthöhe gegenüber dem Strukturgrund haben.
Bild 2 zeigt eine Pressblechoberfläche, deren in der Abbildung unterer Abschnitt erfindungsgemäß so oberflächenbehandelt, dass etwa 50% der Gesamtoberfläche einen höheren Glanzgrad aufweist. Dafür wurden alle Teile der strukturierten Oberfläche, die in einem Bereich zwischen 25% bis 75% der Gesamthöhe der Oberflächenstruktur liegen, erfindungsgemäß oberflächenbehandelt wurden. Somit ist die Oberflächenstruktur im Strukturgrund und in ihren oberen Bereichen einen geringeren Glanzgrad.
In Bild 3 ist zu sehen, dass verteilt über die gesamte dargestellte Pressblechoberfläche das Logo der Anmelderin mit einem geänderten Glanzgrad abgebildet ist, hier völlig unabhängig von der jeweiligen Tiefe der Oberflächenstruktur. Die Abbildung des Logos wurde ebenso mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt.
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

DE 102007055053 A1 [0008, 0010]
DE 10342750 [0017]

Claims

Verfahren zum Anpassen des Glanzgrades einer strukturierten Oberfläche eines Presswerkzeugs, insbesondere eines Pressblechs oder Pressbands, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem energetischen Strahl, insbesondere einem Laserstrahl, mindestens ein Teil der Oberfläche bis zu einer Tiefe von 1 bis 5 μm, vorzugsweise bis zu einer Tiefe von 1 bis 3 μm, umgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pressblech aus einem Stahlwerkstoff besteht und zum Umschmelzen eine gepulste energetische Strahlung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschmelzdauer 1 bis 10 s/cm² beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlquelle ein ND:YAG-Laser oder ein Excimer-Laser verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die energetische Strahlquelle eine Leistung von 50 bis 250 W hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschmelzen in Abhängigkeit von der Strukturtiefe der Oberfläche erfolgt, wobei ein Sensor vorgesehen ist, der dem energetischen Strahl vorausläuft und mit dem die Strukturtiefe an einer Stelle der Oberfläche bestimmt wird und der Energiestrahl in Abhängigkeit von der festgestellten Strukturtiefe ein- und ausgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Umschmelzen Bildinformationen auf die Oberfläche übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche innerhalb der Grenzen der zu übertragenen Bildinformation vollflächig umgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Oberfläche in einem Arbeitsgang selektiv poliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschmelzen der Oberfläche zeilenweise erfolgt.