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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer antimikrobiellen Oberfläche sowie ein Bauteil mit einer solchen antimikrobiellen Oberfläche.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2016 213 201 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine wässrige Tintenzusammensetzung in eine Tintenstrahl-Druckvorrichtung eingebracht wird, wobei Tröpfchen der Tinte in einem bildlichen Muster auf ein Zwischenübertragungselement oder direkt auf ein endgültiges Bildempfangssubstrat ausgestoßen werden, wobei die wässrige Tintenzusammensetzung Komposit-Nanopartikel aufweist, die als Speicher für die Abgabe von Silberionen für eine antibakterielle, antifungale und antivirale Biozidwirkung agieren. Nachteilig herbei ist der Einsatz chemischer Substanzen, nämlich der Komposit-Nanopartikel einerseits und der Silberionen andererseits, zur Erzielung der antimikrobiellen Wirkung. Dies kann Umwelt-/Entsorgüngsprobleme und/oder Unverträglichkeiten bei einem Verwender einer mit der Tintenzusammensetzung bedruckten Oberfläche nach sich ziehen.
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Eine Oberfläche, die nur aufgrund ihrer dreidimensionalen Struktur antimikrobielle Eigenschaften aufweist, erscheint demgegenüber wünschenswert, jedoch schwierig und teuer herzustellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer antimikrobiellen Oberfläche sowie ein Bauteil mit einer solchen antimikrobiellen Oberfläche zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Herstellen einer antimikrobiellen Oberfläche geschaffen wird, wobei auf eine Oberfläche eines Bauteils, die auch kurz als Bauteiloberfläche bezeichnet wird, zumindest bereichsweise eine dreidimensionale Struktur mit strukturbedingter antimikrobieller Wirkung aufgebracht wird, wobei die dreidimensionale Struktur mittels Tintenstrahldruck erzeugt wird. Dadurch, dass die dreidimensionale Struktur eine strukturbedingte antimikrobielle Wirkung aufweist, kann der Einsatz antimikrobieller chemischer Substanzen vermieden werden, wobei zugleich Umwelt-/Entsorgungsprobleme sowie Unverträglichkeiten beim Verwender der antimikrobiellen Oberfläche vermieden werden. Indem die dreidimensionale Struktur mittels Tintenstrahldruck erzeugt wird, ist sie kostengünstig, schnell und einfach mit für sich genommen bekannter und reproduzierbarer Technologie herstellbar.
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Unter „antimikrobiell“ wird hier insbesondere verstanden, dass eine antibakterielle, antifungale und/oder antivirale Wirkung vorhanden ist. Die dreidimensionale Struktur weist insbesondere Eigenschaften auf, die eine Besiedelung der antimikrobiellen Oberfläche mit biogenen Keimen und/oder Biofilmen, wie Bakterien (Kokken, Bazillen, Spirillen und dergleichen), Viren, und/oder Pilzen (Sporen, Schimmelpilzen, Hefen, Dermatophyten, oder dergleichen) erschwert, unterdrückt oder verhindert.
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Dass die dreidimensionale Struktur eine strukturbedingte antimikrobielle Wirkung aufweist, bedeutet insbesondere, dass eine Besiedelung der Struktur mit biogenen Keimen und/oder Biofilmen gerade aufgrund der strukturellen, dreidimensionalen Eigenschaften der dreidimensionalen Struktur zumindest erschwert oder sogar verhindert wird. Die Strukturierung der dreidimensionalen Struktur ist also insbesondere so gewählt, dass biogene Keime und/oder Biofilme an der Struktur nicht oder nur in geringem Umfang anhaften, wobei insbesondere eine Koloniebildung verhindert oder zumindest stark erschwert wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die dreidimensionale Struktur frei von - insbesondere zugesetzten - antimikrobiell wirksamen Substanzen erzeugt wird. Die antimikrobielle Oberfläche wird insbesondere so hergestellt, dass sie keinerlei chemische antimikrobielle Wirkung aufweist, mithin keine antimikrobielle Chemikalie oder dergleichen aufweist. Dadurch werden jegliche mit solchen Chemikalien verbundenen Umwelt-/Entsorgungsprobleme sowie mögliche Unverträglichkeitsreaktionen bei einem Verwender der antimikrobiellen Oberfläche von vornherein vermieden. Die antimikrobielle Wirkung der Oberfläche beruht somit bevorzugt ausschließlich auf der strukturbedingten antimikrobiellen Wirkung der dreidimensionalen Struktur. Sollte eine zum Tintenstrahldrucken der dreidimensionalen Struktur verwendete Tinte - quasi zufällig - bezüglich zumindest eines ihrer Bestandteile antimikrobielle Eigenschaften aufweisen, steht dies dem hier dargestellten Prinzip nicht entgegen. Wesentlich ist, dass nicht eigens einer ausgewählten Tinte für den Tintenstrahldruck zusätzlich Chemikalien, Stoffe oder Substanzen zugesetzt werden, um eine antimikrobielle Wirkung zu erzielen. Vielmehr basiert die antimikrobielle Wirkung der dreidimensionalen Struktur zumindest im Wesentlichen, vorzugsweise vollständig, auf deren struktureller Beschaffenheit.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die dreidimensionale Struktur mit Strukturmerkmalen erzeugt wird, die in einer Ebene gemessen, die parallel zu der Bauteiloberfläche ausgerichtet ist, eine Breite von mindestens 1 µm bis höchstens 20 µm, vorzugsweise von mindestens 5 µm bis höchstens 15 µm, vorzugsweise von 10 µm, aufweisen. Solche Strukturmerkmale können insbesondere Vorsprünge und/oder Vertiefungen sein, die sich senkrecht zu der Bauteiloberfläche erstrecken, also von dieser vorspringen oder in Tiefenrichtung der Bauteiloberfläche vertieft sind. Dass die Ebene, in der die Breite der Strukturmerkmale gemessen wird, parallel zu der Bauteiloberfläche orientiert ist, bedeutet insbesondere, dass diese Ebene zumindest lokal parallel zu der Bauteiloberfläche orientiert ist, insbesondere wenn die Bauteiloberfläche selbst eine Krümmung aufweist. Selbstverständlich kann die Ebene vollständig parallel zu der Bauteiloberfläche angeordnet sein, wenn die Bauteiloberfläche selbst eben und krümmungsfrei ist.
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Alternativ oder zusätzlich weisen die Strukturmerkmale - in der parallel zu der Bauteiloberfläche orientierten Ebene - einen Abstand voneinander auf, der von mindestens 1 µm bis höchstens 10 µm, vorzugsweise 5 µm beträgt. Dies bedeutet insbesondere, dass einander unmittelbar benachbarte Strukturmerkmale, also nächste Nachbarn, einen solchen Abstand voneinander aufweisen.
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Alternativ oder zusätzlich weisen die Strukturmerkmale bevorzugt eine - senkrecht zu der zu der Bauteiloberfläche parallelen Ebene gemessene - Höhe - insbesondere im Fall von Vorsprüngen - oder eine Tiefe - insbesondere im Fall von Vertiefungen - von mindestens 1 µm bis höchstens 5 µm, vorzugsweise von mindestens 2 µm bis höchstens 4 µm, vorzugsweise von 3,5 µm auf.
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Es hat sich herausgestellt, dass dreidimensionale Strukturen mit Strukturmerkmalen der hier angesprochenen Dimensionierung eine besonders effektive antimikrobielle Wirkung aufweisen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die dreidimensionale Struktur erzeugt wird, indem ein Druckintensitätsmuster für eine vorbestimmte Zielstruktur ermittelt wird, wobei Höhenwerte der vorbestimmten Zielstruktur als ortsabhängige Druckintensitäten in dem Druckintensitätsmuster kodiert sind, wobei das Druckintensitätsmuster mittels Tintenstrahldruck mindestens einmal, vorzugsweise mehrfach, auf die Oberfläche des Bauteils gedruckt wird. Unter einer Druckintensität wird insbesondere eine auszubringende Tintenmenge verstanden. Ein Druckintensitätsmuster ist insbesondere eine zweidimensionale, ortsabhängige Verteilung der auszubringenden Tintenmenge.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird - insbesondere als Druckintensitätsmuster - ein Graustufenbild einer vorbestimmten Zielstruktur ermittelt, wobei Höhenwerte der vorbestimmten Zielstruktur als Graustufen in dem Graustufenbild kodiert sind. Das Graustufenbild wird mittels Tintenstrahldruck mindestens einmal, vorzugsweise mehrfach lagegenau übereinander, auf die Oberfläche des Bauteils gedruckt. Auf diese Weise kann die vorbestimmte Zielstruktur einfach, genau, reproduzierbar und sicher auf die Bauteiloberfläche aufgebracht werden. Unter einer vorbestimmten Zielstruktur wird dabei eine gewünschte, auf der Bauteiloberfläche zu reproduzierende, dreidimensionale Struktur verstanden, die insbesondere durch eine Mehrzahl dreidimensionaler Strukturmerkmale gekennzeichnet sein kann. Unter einem Graustufenbild wird eine zweidimensionale Darstellung verstanden, bei der Höhenwerte als Graustufen kodiert sind. Dabei ist einem Punkt in der zweidimensionalen Bildebene des Graustufenbilds eine umso höhere kodierte Höhe über der Bildebene zugeordnet, je höher der ihm zugewiesene Grauwert ist, je dunkler also der Punkt in dem Graustufenbild erscheint.
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Dies wiederum hat zur Folge, dass eine Verteilung der Drucktinte beim Tintenstrahldruck dem Höhenprofil der vorbestimmten Zielstruktur folgt, da dort mehr Tinte aufgebracht wird, wo das Graustufenbild höhere Grauwerte aufweist. Dies bedingt - ganz besonders bei mehrfachem Bedrucken der Bauteiloberfläche mit dem Graustufenbild, eine gemäß dem Höhenprofil der vorbestimmten Zielstruktur ausgebildete, inhomogene Drucktintenverteilung, und damit zugleich eine dreidimensionale, lokale, erhabene Ausgestaltung des Druckbildes, weil dort mehr Tinte akkumuliert wird, wo das Graustufenbild höhere Grauwerte aufweist. Entsprechend ist dort auch das Druckbild im Vergleich zu anderen Gebieten erhaben. Auf diese Weise kann einfach, kostengünstig und reproduzierbar mithilfe eines Tintenstrahldruckverfahrens eine texturierte, dreidimensionale Struktur im Mikrometerbereich auf der Bauteiloberfläche erzeugt werden.
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Ein Druckintensitätsmuster kann auch mittels CAD erzeugt und/oder vorgegeben werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die vorbestimmte Zielstruktur durch Simulation, Modellierung und/oder Imitation natürlicher Oberflächenstrukturen ermittelt wird. Eine Ermittlung durch Simulation bedeutet dabei insbesondere eine virtuelle, modellbasierte Entwicklung mithilfe einer Recheneinrichtung. Damit kann insbesondere die antimikrobielle Wirkung verschiedener dreidimensionaler Strukturen getestet werden, ohne diese Strukturen tatsächlich erzeugen zu müssen. Unter einer Modellierung wird demgegenüber eine experimentelle Bestimmung der vorbestimmten Zielstruktur verstanden, wobei eine zu untersuchende Zielstruktur beispielsweise durch chemische Dampfphasenabscheidung (CVD), physikalische Dampfphasenabscheidung (PVD), Spritzgießen, oder in anderer geeigneter Weise hergestellt werden kann. Eine solche Zielstruktur kann dann - insbesondere unter Laborbedingungen - auf ihre antimikrobielle Wirkung getestet werden. Ist eine geeignete Zielstruktur mit einer gewünschten antimikrobiellen Wirkung gefunden, kann diese als vorbestimmte Zielstruktur verwendet werden, und es ist möglich, ein Graustufenbild von dieser vorbestimmten Zielstruktur zu erzeugen.
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Unter einer Imitation natürlicher Oberflächenstrukturen wird insbesondere verstanden, dass in der Natur vorkommende dreidimensionale Strukturen bezüglich ihrer Eigenschaften und insbesondere Strukturmerkmale analysiert und nachgebildet werden. Dies entspricht der Vorgehensweise auf dem Gebiet der Bionik, mithin einer bionischen Vorgehensweise. Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere die dreidimensionale Oberflächenstruktur der Haut von Haifischen und/oder die dreidimensionale Oberflächenstruktur der Flügel von Libellen geeignete antimikrobielle Eigenschaften aufweisen, sodass diese Strukturen in geeigneter Weise als vorbestimmte Zielstrukturen imitiert werden können. Dies beruht insbesondere auf der Erkenntnis, dass Haie - anders als andere marine Lebewesen ähnlicher Größe oder auch größerer Ausprägung, beispielsweise Wale - keinem marinen Fouling unterliegen, das heißt insbesondere keine Besiedelung mit Algen, Seepocken oder dergleichen aufweisen. Es hat sich herausgestellt, dass dies gerade an der spezifischen dreidimensionalen Struktur der Hautoberfläche von Haien liegt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Drucken der dreidimensionalen Struktur eine Tinte verwendet wird, die ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus einer UV-härtenden Tinte, insbesondere auf Basis von acrylierten Polyestern, Polyethem, Polyurethanen, und/oder Epoxidverbindungen, und einer Tinte auf Basis von Latex. Solche Tinten eignen sich besonders für die Herstellung dreidimensionaler Strukturen mit strukturbedingt antimikrobieller Wirkung.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die dreidimensionale Struktur auf eine gewölbte Oberfläche gedruckt wird. Dies ist bei dem hier vorgestellten Herstellungsverfahren ohne weiteres möglich, da auch gewölbte Oberflächen in einfacher und kostengünstiger Weise mit einem Tintenstrahldruckverfahren bedruckt werden können.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf die dreidimensionale Struktur wenigstens eine Farblage gedruckt wird. Unter einer Farblage wird insbesondere eine Anordnung von Farbe auf der dreidimensionalen Struktur verstanden, wobei die Farbe lokal, global, in Form eines Musters, oder flächig unstrukturiert auf die dreidimensionale Struktur aufgebracht sein kann. Insbesondere ist es auch möglich, die dreidimensionale Struktur mehrfarbig oder mit einer Mehrzahl von Farblagen - gegebenenfalls mit verschiedenen Farben - zu bedrucken. Dadurch kann ein Farbfinish für die antimikrobielle Oberfläche erzeugt werden.
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Auch das Bedrucken der dreidimensionalen Struktur mit der wenigstens einen Farblage erfolgt bevorzugt mittels Tintenstrahldruck. Dabei kann in besonders vorteilhafter Weise der gleiche oder sogar derselbe Drucker verwendet werden, der auch zum Erzeugen der dreidimensionalen Struktur verwendet wird.
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Die dreidimensionale Struktur kann auch so erzeugt werden, dass sie zugleich mit der antimikrobiellen Wirkung eine einfach zu reinigende Wirkung - ähnlich dem Lotuseffekt -, und/oder eine schmutzabweisende Wirkung aufweist.
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Die dreidimensionale Struktur ist für einen Benutzer der antimikrobiellen Oberfläche bevorzugt weder fühlbar noch sichtbar.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Bauteil geschaffen wird, welches eine antimikrobielle Oberfläche aufweist, die hergestellt ist durch ein Verfahren nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsformen. In Zusammenhang mit dem Bauteil ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bauteil ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einem Interieur-Bauteil für ein Fahrzeug und einem Exterieur-Bauteil für ein Fahrzeug. Unter einem Fahrzeug wird insbesondere ein Kraftfahrzeug verstanden. Ein solches Interieur-Bauteil kann insbesondere ein Lenkrad, ein Touchpad, ein Bedienelement wie ein Schalter oder Knopf, Teile von solchen Elementen, oder dergleichen sein. Ein Exterieur-Bauteil kann beispielsweise ein Türgriff, ein Kofferraumöffner, ein Heckklappenöffner, oder dergleichen sein. Das Bauteil ist bevorzugt insbesondere ein Bauteil, welches regelmäßig von einem Verwender mit den Händen oder zumindest Teilen einer Hand berührt wird.
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Mit besonderem Vorteil kann die hier vorgeschlagene antimikrobielle Oberfläche sowie das Bauteil eingesetzt werden in Bereichen, in denen viele verschiedene Personen Zugang zu und Kontakt mit dem entsprechenden Bauteil haben, insbesondere also im Bereich von Car Sharing, in Taxen, Bussen, Vans, Trucks, Fahrzeugflotten, Mietwagen, und dergleichen mehr. Eine Infektionsgefahr für die an der Nutzung solcher Einrichtungen beteiligten Personen und insbesondere die Ausbreitung von biogenen Keimen kann durch die Verwendung der hier vorgeschlagenen antimikrobiellen Oberfläche sowie entsprechender Bauteile deutlich vermindert werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer antimikrobiellen Oberfläche.
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Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer antimikrobiellen Oberfläche 1, wobei auf eine Oberfläche 3 eines Bauteils 5 zumindest bereichsweise eine dreidimensionale Struktur 7 mit strukturbedingter antimikrobieller Wirkung aufgebracht wird, wobei die dreidimensionale Struktur 7 mittels Tintenstrahldruck erzeugt wird. Dabei ist hier rein schematisch und lediglich zur Verdeutlichung eine Tintenstrahldruckeinrichtung 9 dargestellt.
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Die dreidimensionale Struktur 7 ist insbesondere frei von antimikrobiell wirksamen Substanzen, weist also keinerlei antimikrobielle Chemikalien auf. Dies bedeutet insbesondere, dass keinerlei zusätzlichen antimikrobiellen Chemikalien einer Drucktinte zur Erzeugung der dreidimensionalen Struktur 7 mittels der Tintenstrahldruckeinrichtung 9 beigegeben sind. Sollte die verwendete Tinte - quasi zufällig - bezüglich zumindest einer ihrer Bestandteile antimikrobielle Eigenschaften aufweisen, steht dies dem hier dargestellten Prinzip nicht entgegen. Wesentlich ist, dass nicht eigens einer ausgewählten Tinte für den Tintenstrahldruck zusätzlich Chemikalien, Stoffe oder Substanzen zugesetzt werden, um eine antimikrobielle Wirkung zu erzielen. Vielmehr basiert die antimikrobielle Wirkung der dreidimensionalen Struktur auf deren struktureller Beschaffenheit.
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Die dreidimensionale Struktur wird insbesondere mit Strukturmerkmalen 11, von denen der einfacheren Darstellung wegen hier nur eines mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet ist, erzeugt, die eine - in der Figur in horizontaler Richtung oder senkrecht zur Bildebene gemessene - Breite von mindestens 1 µm bis höchstens 20 µm, vorzugsweise von mindestens 5 µm bis höchstens 15 µm, vorzugsweise von 10 µm, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich weisen die Strukturmerkmale 11 bevorzugt einen Abstand voneinander von mindestens 1 µm bis höchstens 10 µm, vorzugsweise 5 µm auf. Der Abstand bezieht sich dabei auf einen Abstand einander nächstbenachbarter Strukturmerkmale 11, wobei dieser Abstand auch in der Figur in horizontaler Richtung oder senkrecht zur Bildebene gemessen wird. Alternativ oder zusätzlich weisen die Strukturmerkmale 11 bevorzugt eine Höhe oder Tiefe von mindestens 1 µm bis höchstens 5 µm, vorzugsweise von mindestens 2 µm bis höchstens 4 µm, vorzugsweise von 3,5 µm auf. Die Höhe oder Tiefe der Strukturmerkmale 11 wird in der Figur insbesondere in vertikaler Richtung gemessen. Bei den Strukturmerkmalen 11 handelt es sich bevorzugt um Vorsprünge und/oder Vertiefungen, wobei in der Figur Vorsprünge als Strukturmerkmale 11 dargestellt sind.
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Die dreidimensionale Struktur 7 wird insbesondere erzeugt, indem von einer vorbestimmten Zielstruktur 13 ein Graustufenbild 15 ermittelt wird, bei dem Höhenwerte der vorbestimmten Zielstruktur 13 als Graustufen kodiert sind. Dieses Graustufenbild 15 wird mittels Tintenstrahldruck, hier insbesondere mittels der Tintenstrahldruckeinrichtung 9, mindestens einmal, besonders bevorzugt mehrfach lagegenau übereinander, auf die Oberfläche 3 gedruckt. Auf diese Weise wird eine Texturierung und damit dreidimensionale Strukturierung des Druckbilds auf der Oberfläche 3 erreicht, welche dem Höhenprofil der vorbestimmten Zielstruktur 13 entspricht.
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Die vorbestimmte Zielstruktur 13 kann insbesondere durch Simulation, Modellierung und/oder Imitation natürlicher Oberflächenstrukturen ermittelt werden.
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Zum Tintenstrahldrucken der dreidimensionalen Struktur 7 wird vorzugsweise eine Tinte verwendet, die ausgewählt ist aus einer Gruppe, bestehend aus einer UV-härtenden Tinte, insbesondere auf Basis von acrylierten Polyestern, Polyethern, Polyurethanen, und/oder Epoxidverbindungen, und einer latexbasierten Tinte.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Oberfläche 3, auf welche die dreidimensionale Struktur 7 gedruckt wird, gewölbt ist. Dabei kann sie insbesondere eine Krümmung in wenigstens einer Richtung, besonders bevorzugt in mehr als einer Richtung, aufweisen.
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Es ist möglich, dass auf die dreidimensionale Struktur 7 wenigstens eine Farblage gedruckt wird, wodurch insbesondere ein Farbfinish für die dreidimensionale Struktur 7 erreicht werden kann.
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Das Bauteil 5, das schließlich die antimikrobielle Oberfläche 1 mit der dreidimensionalen Struktur 7 aufweist, ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus einem Interieur-Bauteil für ein Fahrzeug und einem Exterieur-Bauteil für ein Fahrzeug. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Lenkrad, ein Touchpad, ein Bedienelement wie beispielsweise einen Schalter oder einen Knopf, einen Türgriff, einen Kofferraumöffner, einen Heckklappenöffner, Teile solcher Elemente, oder dergleichen handeln.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren und dem Bauteil 5 kann auf schnelle, kostengünstige und reproduzierbare Weise eine antimikrobielle Ausstattung von Oberflächen erreicht werden, wobei Umwelt-/Entsorgungsprobleme sowie Unverträglichkeiten von Benutzern solcher Oberflächen vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016213201 A1 [0002]
