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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugreifens sowie einen Fahrzeugreifen.
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Fahrzeugreifen werden häufig mit Beschriftungen auf der Seitenwand oder in anderen Bereichen wie beispielweise der Schulter des Profils und/oder den Profilrillen und -blöcken versehen, die Informationen über den Hersteller, das Modell oder technische Angaben beispielsweise zu Abmessungen des Reifens, Tragfähigkeitsindex, Lastindex, Geschwindigkeitsindex oder Informationen über den Produktionszeitpunkt enthalten. Derartige Beschriftungen werde häufig durch farbige Gummi-Inserts bereitgestellt, die während des Reifenbaus an den Reifenrohling gefügt werden.
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Das Vorgehen hat jedoch den Nachteil, dass der Reifenbau verkompliziert wird und dass das Material des Inserts, da es wegen der Farbgebung keine oder kaum Rußpartikel enthält, andere mechanische Eigenschaften aufweist als der übrige Reifen.
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Es besteht daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugreifens anzugeben, das besonders einfach ist, eine farbige Beschriftung ermöglicht und einen Fahrzeugreifen mit günstigen mechanischen Eigenschaften liefert. Ferner soll ein Fahrzeugreifen mit einfach aufzubringender Seitenwandbeschriftung angegeben werden.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Weitere Ausführungsformen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeugreifen mit zumindest einem auf einem Bereich des Fahrzeugreifens angeordneten farbigen Element angegeben, wobei das zumindest eine farbige Element durch eine Vielzahl gleich- oder verschiedenartiger Mikrostrukturen des Reifenmaterials unterschiedlicher Höhen gebildet ist und die Farben des zumindest einen farbigen Elements durch Interferenzen an den Mikrostrukturen erzeugt sind.
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Das farbige Element wird demnach aus Strukturfarben erzeugt. Bei der Erzeugung eines Bildes aus Strukturfarben wird ausgenutzt, dass Interferenzen an der Mikrostruktur einer Oberfläche zur Verstärkung oder Auslöschung einzelner Wellenlängen aus dem Lichtspektrum führen können. Bei einem Bild aus Strukturfarben sind demnach nicht Farbpigmente für die Farbgebung verantwortlich, sondern die Mikrostruktur der Oberfläche und die daran auftretenden Interferenzen aufgrund von Phasenverschiebungen des einfallenden bzw. reflektierten Lichts.
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Das hat den Vorteil, dass die gesamte Fläche des Fahrzeugreifens aus einem dunkelgrauen oder schwarzen, rußhaltigen Material geformt sein kann. Es nicht notwendig, die Gummimischung für den Fahrzeugreifen zu modifizieren, um eine farbige Beschriftung zu erzeugen.
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Die Mikrostruktur kann insbesondere als Vielzahl turmartiger Erhebungen ausgebildet sein. Unter einer turmartigen Erhebung wird hier und im Folgenden eine Struktur verstanden, deren Grundfläche verhältnismäßig kompakt ist, also in beiden Richtungen einer gedachten Basisebene die gleiche Ausdehnung aufweist. Die Grundfläche kann beispielsweise kreisförmig sein oder die Form eines regelmäßigen Vielecks aufweisen. Die absolute Höhe einer derartigen Erhebung ist für Interferenzerscheinungen nicht maßgebend, sondern vielmehr Höhendifferenzen zwischen einzelnen Erhebungen.
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Turmartige Mikrostrukturen, die mit modernen Verfahren, insbesondere Lasergravur, gut erzeugt werden können, haben den Vorteil, dass sie sowohl zur Erzeugung von Hologrammen als auch zur Erzeugung anderer optischer Effekte (Strukturfarben) verwendet werden können. Sie lassen die Erzeugung besonders hoch aufgelöster Bilder zu und bieten vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten.
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Die turmartigen Erhebungen werden insbesondere in einer Gitterstruktur angeordnet, wobei die Gitterkonstante beispielsweise 2 bis 20 Mikrometer betragen kann, insbesondere 5 bis 10 Mikrometer. Die Kantenlängen an der Grundfläche der turmartigen Erhebungen entspricht insbesondere der Gitterkonstanten und beträgt demnach 2 bis 20 Mikrometer, insbesondere 5 bis 10 Mikrometer.
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Alternativ können die Mikrostrukturen auch als rippenförmige Erhebungen mit unterschiedlichen Höhen ausgebildet sein.
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Unter rippenförmigen Erhebungen werden dabei Erhebungen verstanden, die im Gegensatz zu den turmartigen Erhebungen keine kompakte Grundfläche aufweisen, sondern deren Grundfläche in einer Richtung langgestreckt ist. Während der Abstand von einer Rippe zur nächsten (gemessen von Scheitel zu Scheitel) beispielsweise 2 bis 20 Mikrometer betragen kann, insbesondere 5 bis 10 Mikrometer, erstreckt sich die Rippe in der anderen Richtung der Ebene über mindestens 50 Mikrometer, insbesondere über mindestens 100 Mikrometer.
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Unter rippenförmigen Erhebungen mit unterschiedlichen Höhen werden rippenförmige Erhebungen verstanden, die sich in ihren Höhen von den benachbarten Rippen unterscheiden. Mit derartigen Rippen lässt sich eine Vielzahl von optischen Interferenzeffekten erzielen.
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Alternativ oder zusätzlich können die Mikrostrukturen auch als rippenförmige Erhebungen mit innerhalb einzelner Rippen variierender Höhe ausgebildet sein.
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Die rippenförmigen Erhebungen können auch innerhalb des farbigen Elements unterschiedliche Ausrichtungen aufweisen. Beispielsweise können Gruppen von parallel verlaufenden Rippen abwechseln mit Gruppen, die ebenfalls parallel verlaufende, jedoch beispielsweise um 90 Grad gedrehte Rippen aufweisen. Alternativ können Rippen leicht gebogen ausgebildet sein. Die unterschiedlichen Ausrichtungen ermöglichen es, dieselbe Strukturfarbe aus unterschiedlichen Richtungen zu sehen.
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Der Begriff „Erhebung“ kennzeichnet hier und im Folgenden eine Struktur, die sich über eine gedachte Basisebene erhebt. Dies ist nicht notwendigerweise die Ebene des umgebenden Reifenmaterials. Vielmehr können die Erhebungen auch durch Abtragen von Reifenmaterial hergestellt sein, also Vertiefungen relativ zur umgebenden Reifenfläche darstellen.
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Die Mikrostruktur stellt eine Vielzahl von lichtstreuenden Abschnitten zur Verfügung, wobei die Abschnitte insbesondere durch Oberseiten der Erhebungen, jedoch teilweise auch durch Seitenflächen der Erhebungen gebildet sein können.
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Gemäß einer Ausführungsform sind Volumina zwischen den Mikrostrukturen mit einem transparenten Material verfüllt. Das hat den Vorteil einer glatten, leicht zu reinigenden und somit nicht dauerhaft verschmutzenden Oberfläche. Der Brechungsindex des zur Verfüllung verwendeten Materials wird bei der Konstruktion der Mikrostruktur berücksichtigt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugreifens angegeben, umfassend das Vorgeben eines auf Bereichen des Fahrzeugreifens anzuordnenden, mehrfarbigen Zielbildes sowie das Erstellen einer computergenerierten Masterstruktur zur Erzeugung des Zielbildes aus Strukturfarben.
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Das Verfahren umfasst ferner das Erstellen eines Stempels zum Einprägen der Masterstruktur in Bereiche des Fahrzeugreifens, das Bereitstellen eines Reifenrohlings für den Fahrzeugreifen sowie das Vulkanisieren des Fahrzeugreifes unter Einprägen der Masterstruktur in Bereiche des Fahrzeugreifens mittels des Stempels.
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Bei diesem Verfahren wird demnach die Mikrostruktur zur Erzeugung des mehrfarbigen Bildes beim Vulkanisieren in Bereiche des Fahrzeugreifens eingeprägt. Ein dazu notwendiger Stempel, beispielsweise ein Stahl-Insert für die Reifenform, lässt sich viele Male verwenden. Auf diese Weise kann eine farbige Beschriftung besonders einfach und dauerhaft in den Reifen eingebracht werden.
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Unter einem Zielbild wird hier und im folgenden die optische Darstellung von später auf Bereichen des Fahrzeugreifens sichtbaren farbigen Elementen verstanden. Das Zielbild ist somit der zu erzielende optische Effekt.
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Die farbigen Elemente werden auf dem Fahrzeugreifen dadurch erzielt, dass eine eine Masterstruktur bereitstellende Mikrostruktur der Reifenoberfläche eine regelmäßige Struktur zur Verfügung stellt, an der konstruktive und destruktive Interferenzen auftreten.
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Zur Erzeugung eines mehrfarbigen Bildes auf dem Fahrzeugreifen ist die Mikrostruktur derart gestaltet, dass sie in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Phasenverschiebungen zwischen reflektierten Lichtstrahlen erzeugt. Dadurch erscheinen einzelne Bereiche in unterschiedlichen Farben. Es ist auch möglich, Bilder zu erzeugen, die aus unterschiedlichen Blickwinkeln verschieden aussehen und/oder eine unterschiedliche Farbgebung aufweisen. Dazu weist die Masterstruktur insbesondere geneigte Flächenabschnitte auf, deren Neigungswinkel und Höhe so gewählt sind, dass in eine bestimmte Richtung reflektiertes Licht eine definierte Phasenverschiebung aufweist.
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Der Stempel, in den ein Negativ der Masterstruktur eingebracht ist, wird gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens in eine Form der Vulkanisierpresse eingelegt. Er kann beispielsweise mittels Lasergravur eines Stempelrohlings hergestellt werden.
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Alternativ kann der Stempel auch mittels photochemischer Ausbildung eines Mikroreliefs und anschließenden galvanischen Beschichtens hergestellt werden. Dieses Vorgehen ist beispielsweise bekannt für die Herstellung von Hologrammfolien.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugreifens angegeben, umfassend das Vorgeben eines auf Bereichen des Fahrzeugreifens anzuordnenden, mehrfarbigen Zielbildes sowie das Erstellen einer computergenerierten Masterstruktur zur Erzeugung des Zielbildes aus Strukturfarben. In die Oberfläche eines bereitgestellten Fahrzeugreifens wird mittels Lasergravieren die Masterstruktur zur Erzeugung des Bildes eingebracht.
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Bei diesem Verfahren wird die Masterstruktur direkt in den bereits fertigen Reifen graviert. Wie sich herausgestellt hat, lässt sich mit diesem Vorgehen eine hochaufgelöste Mikrostruktur als Masterstruktur in die fertige Reifenoberfläche einbringen.
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Das Zielbild kann beispielsweise ein mehrfarbiges Bild, ein Kinegramm oder ein Hologramm sein. Wie sich in Versuchen gezeigt hat, lassen sich sowohl mit dem Einprägen der Masterstruktur mittels eines Stempels als auch mittels Lasergravur hochaufgelöste, komplexe Masterstrukturen erzeugen.
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Die eingeprägte oder gravierte Masterstruktur weist insbesondere eine Vielzahl gleichartiger Mikrostrukturen unterschiedlicher Höhen auf und/oder ist aus einer Vielzahl gleichartiger Mikrostrukturen unterschiedlicher Höhen ausgebildet.
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Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand von schematischen Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Fahrzeugreifens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 zeigt einen Querschnitt durch eine mikrostrukturierte Oberfläche einer Seitenwand des Fahrzeugreifens gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 3 zeigt eine perspektivische Ansicht der mikrostrukturierten Oberfläche der Seitenwand des Fahrzeugreifens gemäß 2;
- 4 zeigt eine Draufsicht auf eine mikrostrukturierte Oberfläche gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
- 5 zeigt eine Draufsicht auf eine mikrostrukturierte Oberfläche gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
- 6 zeigt einen Querschnitt durch die Mikrostruktur gemäß 5;
- 7 zeigt eine Draufsicht auf eine mikrostrukturierte Oberfläche gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung und
- 8 zeigt eine Draufsicht auf eine mikrostrukturierte Oberfläche gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
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Der Fahrzeugreifen 1 gemäß 1 weist eine Lauffläche 2 sowie eine Seitenwand 4 auf. Eine weitere Seitenwand ist in der gezeigten Ansicht nicht sichtbar. Der Fahrzeugreifen 1 ist in bekannter Weise aus einer Gummimischung mit Rußbeigabe ausgebildet und weist eine dunkelgraue Farbe auf.
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Auf der Seitenwand 4 sind mehrere Elemente 6 einer Seitenwandbeschriftung angeordnet. Diese können beispielsweise den Hersteller, das Reifenmodell oder technische Angaben zum Fahrzeugreifen 1 enthalten. Die Elemente 6 sind nicht mittels Pigmentierung des Fahrzeugreifens 1 erzeugt, sondern werden durch Interferenzen an der mikrostrukturierten Oberfläche der Seitenwand 4 sichtbar. Dies wird anhand der 2 und 3 näher erläutert.
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2 zeigt einen Querschnitt durch eine Seitenwand 4 des Fahrzeugreifens 1 gemäß 1 im Bereich eines der Elemente 6. In dieser Ansicht und in der perspektivischen Ansicht gemäß 3 ist erkennbar, dass die Seitenwand 4 eine Oberfläche mit einer Mikrostruktur 8 aufweist mit einer Vielzahl einzelner lichtstreuender Abschnitte 10, die durch Oberseiten einzelner turmartiger Erhebungen 11 unterschiedlicher Höhe hi über einer gedachten Basislinie 9 ausgebildet sind. Die absolute Höhe der einzelnen Abschnitte 10 ist dabei unerheblich, für die Interferenzeffekte kommt es vielmehr auf die Höhendifferenzen Δhi an. Die Höhen hi können beispielsweise relativ zur maximalen oder minimalen Höhe oder zu einem auf andere Weise definierten Niveau gemessen werden. Konstruktive bzw. destruktive Interferenzen von an den Abschnitten 10 gestreuten Lichtwellen kommen dann zustande, wenn der Wegunterschied einer Phasenverschiebung von ganzen oder halben Wellenlängen entspricht. Der Wegunterschied ergibt sich einerseits aus der Höhendifferenz Δhi, andererseits auch aus dem Winkel, unter dem die Oberfläche betrachtet wird.
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Farbe und Intensität eines Punktes auf der Oberfläche des Fahrzeugreifens 1 sind somit abhängig von der Wellenlänge des einfallenden Lichts und außerdem vom Blickwinkel eines Betrachters.
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Die Abschnitte 10 können schräggestellte und/oder gekrümmte Oberflächen aufweisen, wie in 2 exemplarisch gezeigt, um die Lichtstreuung entsprechend zu beeinflussen.
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In 2 sind exemplarisch zwei Wegstrecken ai, aj gezeigt, die vom Licht ausgehend von zwei Punkten auf der Oberfläche zu einem Betrachter zurückzulegen sind. Entspricht die durch die unterschiedlichen Höhen hi, hj dieser Punkte bedingte Differenz ai-aj einer halben Wellenlänge, so wird Licht dieser Wellenlänge durch destruktive Interferenz aus dem Spektrum des reflektierten Lichtes herausgenommen und der entsprechende Bereich erscheint in der Komplementärfarbe. Daraus ergibt sich, dass die Höhendifferenzen auf der mikrostrukturierten Oberfläche insbesondere im Bereich von einigen 100 nm liegen, bzw. zwischen etwa 380 nm (Violett) und 750 nm (Rot).
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In 3 ist eine perspektivische Ansicht der Mikrostruktur 8 gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform ist die Mikrostruktur 8 aus einzelnen, im Querschnitt sechseckigen Erhebungen 11 geformt, die unterschiedliche Höhen aufweisen und lichtstreuende Abschnitte 10 zur Verfügung stellen. Derartige Strukturen könnten jedoch auch dreieckig, rechteckig (insbesondere quadratisch) oder unregelmäßig geformt sein.
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4 zeigt eine Draufsicht auf eine Mikrostruktur 8 eines Fahrzeugreifens, wobei die Mikrostruktur 8 durch rippenförmige Erhebungen 12 gebildet ist. Die hier nur schematisch angedeuteten rippenförmigen Erhebungen 12 sind in mehreren Gruppen 14 angeordnet, wobei alle rippenförmigen Erhebungen 12 einer Gruppe 14 parallel zueinander verlaufen und gegenüber rippenförmigen Erhebungen 12 anderer Gruppen 14 um 90° gedreht angeordnet sind.
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In der gezeigten Ausführungsform weisen benachbarte rippenförmige Erhebungen 12 einen Abstand von 4,5 Mikrometern voneinander auf und jede Gruppe 14 weist eine Kantenlänge von ca. 50 Mikrometern auf.
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5 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Mikrostruktur 8. In dieser Ausführungsform ist die Mikrostruktur 8 ebenfalls durch eine Vielzahl rippenförmiger Erhebungen 12 ausgebildet, wobei sich die rippenförmigen Erhebungen 12 in ihrer Höhe h unterscheiden.
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Dazu ist in 6 ein Querschnitt durch die Mikrostruktur 8 gemäß 5 entlang der Schnittlinie A-A dargestellt. Auf der Abszisse ist die Lage der rippenförmigen Erhebungen 12 entlang der Schnittlinie A-A dargestellt, auf der Ordinate die Höhe h der einzelnen rippenförmigen Erhebungen 12 in Mikrometern.
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7 zeigt eine Draufsicht auf eine Mikrostruktur 8 gemäß einer weiteren Ausführungsform, wobei diese Mikrostruktur 8 der in 3 gezeigten Mikrostruktur ähnelt und eine Vielzahl turmartiger Erhebungen 11 aufweist, die in einer Gitterstruktur angeordnet sind, wobei die einzelnen turmartigen Erhebungen 11 einen quadratischen Querschnitt aufweisen und quadratische Abschnitte 10 für die Lichtstreuung zur Verfügung stellen.
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8 zeigt eine Abwandlung der in 7 gezeigten Struktur, die sich dadurch unterscheidet, dass die turmartigen Erhebungen 11 nicht alle den gleichen Querschnitt aufweisen. Vielmehr gibt es einzelne turmartige Erhebungen 13 mit einer größeren Querschnittsfläche, die einem Zusammenschluss mehrerer benachbarter turmartiger Erhebungen 11 mit gleicher Höhe h entsprechen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeugreifen
- 2
- Lauffläche
- 4
- Seitenwand
- 6
- Element
- 8
- Oberfläche
- 9
- Basislinie
- 10
- Abschnitt
- 11
- turmartige Erhebung
- 12
- rippenförmige Erhebung
- 13
- turmartige Erhebung
- 14
- Gruppe
