DE102020127401A1 - Apparatus and method for applying a textured coating and metal article having a textured coating - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird ein Apparat (1) und ein Verfahren zur Aufbringung einer strukturierten Beschichtung auf eine Oberfläche (2) eines Metallgegenstandes (3) sowie ein Metallgegenstand einer derartigen strukturierten Beschichtung. Der Apparat (19 verfügt über einen Elektrolytspeicher (4), in dem ein Elektrolyt (7), der Metallionen aufweist, angeordnet ist und der derart eingerichtet ist, dass der Elektrolyt (7) während eines Beschichtungsvorgangs zumindest mit einem zu beschichtenden Bereich der Oberfläche (2) des Metallgegenstandes (3) in Kontakt bringbar ist, über eine Elektrode (5), die zumindest während des Beschichtungsvorgangs mit dem Elektrolyten (7) in Kontakt steht und zumindest an einem vom Elektrolyt (7) kontaktierten Oberflächenbereich ein Metall aufweist, und über eine Schnittstelle zur Anbindung einer Spannungsquelle (6), die während des Beschichtungsvorgangs mit dem Metallgegenstand (3) und der Elektrode (5) derart in einem elektrischen Stromkreis verschaltet ist, dass die mit dem Elektrolyten (7) in Kontakt stehende Elektrode (5) eine Anode und der zu beschichtende, mit dem Elektrolyten in Kontakt stehende Metallgegenstand (3) eine Kathode bildet. Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass die Elektrode (5) auf einer während des Beschichtungsvorgangs dem Metallgegenstand (3) zugewandten Oberfläche eine Elektrodenstruktur (8) aufweist, die in Abhängigkeit der Oberflächentextur, Form und/oder Geometrie der auf die Oberfläche (2) des Metallgegenstandes (3) aufzubringenden Beschichtung ausgeführt ist.An apparatus (1) and a method for applying a structured coating to a surface (2) of a metal object (3) and a metal object with such a structured coating are described. The apparatus (19) has an electrolyte reservoir (4) in which an electrolyte (7) containing metal ions is arranged and which is set up in such a way that during a coating process the electrolyte (7) can contact at least one area of the surface ( 2) of the metal object (3) can be brought into contact, via an electrode (5), which is in contact with the electrolyte (7) at least during the coating process and has a metal at least on a surface area contacted by the electrolyte (7), and via an interface for connecting a voltage source (6), which during the coating process is connected to the metal object (3) and the electrode (5) in an electrical circuit in such a way that the electrode (5) in contact with the electrolyte (7) has a anode and the metal object (3) to be coated which is in contact with the electrolyte forms a cathode characterized in that the electrode (5) has an electrode structure (8) on a surface facing the metal object (3) during the coating process, which, depending on the surface texture, shape and/or geometry of the surface (2) of the metal object (3 ) applied coating is executed.
Description
Die Erfindung betrifft einen Apparat und ein Verfahren zur Aufbringung einer strukturierten Beschichtung auf eine Oberfläche eines Metallgegenstandes sowie einen Metallgegenstand mit einer derartigen Beschichtung. Der Apparat zur Aufbringung einer strukturierten Beschichtung verfügt über einen Elektrolytspeicher, in dem ein Elektrolyt, der Metallionen aufweist, angeordnet ist und der derart eingerichtet ist, dass der Elektrolyt während eines Beschichtungsvorgangs zumindest mit einem zu beschichtenden Bereich der Oberfläche des Metallgegenstandes in Kontakt bringbar ist. Ferner verfügt der Apparat über eine Elektrode, die zumindest während des Beschichtungsvorgangs mit dem Elektrolyten in Kontakt steht und zumindest an einem vom Elektrolyt kontaktierten Oberflächenbereich ein Metall aufweist, und über eine Schnittstelle zur Anbindung einer Spannungsquelle, die während des Beschichtungsvorgangs mit den Metallgegenstand und Elektrode derart in einem elektrischen Stromkreis verschaltet ist, dass die mit dem Elektrolyten in Kontakt stehende Elektrode eine Anode und der zu beschichtende mit dem Elektrolyten in Kontakt stehende Metallgegenstand eine Kathode bildet.The invention relates to an apparatus and a method for applying a structured coating to a surface of a metal object and a metal object with such a coating. The apparatus for applying a structured coating has an electrolyte reservoir in which an electrolyte containing metal ions is arranged and which is set up in such a way that during a coating process the electrolyte can be brought into contact with at least one area of the surface of the metal object to be coated. Furthermore, the apparatus has an electrode which is in contact with the electrolyte at least during the coating process and has a metal at least on a surface area contacted by the electrolyte, and an interface for connecting a voltage source which is connected to the metal object and electrode during the coating process in such a way is connected in an electrical circuit such that the electrode in contact with the electrolyte forms an anode and the metal object to be coated in contact with the electrolyte forms a cathode.
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Galvanotechnik, mit der durch elektrochemische Abscheidung Gegenstände mit einer metallischen Beschichtung versehen werden können. In den meisten Fällen kommen Beschichtungsverfahren zum Einsatz, bei denen metallische Beschichtungen in einem elektrolytischen Bad auf einen Gegenstand aufgebracht werden. Hierbei fließt zwischen der den Pluspol bildenden Anode und dem zu beschichtenden Gegenstand, der den Minuspol und damit die Kathode bildet, ein Strom, durch den Metallionen erzeugt werden, aus denen sich schließlich im Wege einer Reduktionsreaktion ein Metall auf dem zu beschichtenden Gegenstand ablagert. Für die Erzeugung der metallischen Beschichtung sind zwei technische Varianten bekannt. Entweder verfügt die Anode über ein Metall und löst sich während der Beschichtung immer weiter auf oder die Metallionen werden aus dem Elektrolyten abgeschieden.The invention is in the field of electroplating, with which objects can be provided with a metallic coating by electrochemical deposition. In most cases, coating processes are used in which metallic coatings are applied to an object in an electrolytic bath. A current flows between the anode, which forms the positive pole, and the object to be coated, which forms the negative pole and thus the cathode. Two technical variants are known for producing the metallic coating. Either the anode contains a metal and continues to dissolve during the coating process, or the metal ions are separated from the electrolyte.
Bislang werden galvanische Verfahren vor allem dazu benutzt, einen Gegenstand möglichst gleichmäßig mit einer metallhaltigen Schicht zu versehen. Darüber hinaus ist es mit speziell ausgeführten Galvanisierungsverfahren möglich, gezielte Bereiche eines Gegenstandes zu beschichten und den Gegenstand so mit einer Beschriftung oder Markierung zu versehen. In diesem Zusammenhang ist als spezielles Verfahren der Galvanotechnik das sogenannte Tampongalvanisierungsverfahren bekannt. Dieses Verfahren wird vorwiegend zur Reinigung oder Reparatur von Metallbeschichtungen, aber auch zum Markieren oder Beschriften metallischer Oberflächen eingesetzt. Das zu beschichtende Bauteil wird am Minuspol einer Galvanisierungsanlage befestigt, während sich an der Anode eine von einem Wattetampon umhüllte Platte oder ein von einem Wattetampon umhüllter Stab aus nicht löslichem Material befindet. Über eine Schlauchleitung wird diesem speziell ausgeführten Werkzeug die erforderliche Elektrolytlösung zugeführt oder aber die Platte oder der Stab wird gemeinsam mit dem Wattetampon in ein Elektrolytbad getaucht.So far, galvanic processes have primarily been used to provide an object with a metal-containing layer as uniformly as possible. In addition, it is possible with specially designed electroplating processes to coat specific areas of an object and thus provide the object with an inscription or marking. In this context, the so-called pad galvanizing process is known as a special process in electroplating. This process is mainly used for cleaning or repairing metal coatings, but also for marking or writing on metal surfaces. The component to be coated is attached to the negative pole of an electroplating system, while the anode is attached to a plate or a rod of insoluble material wrapped in a cotton swab. The required electrolyte solution is fed to this specially designed tool via a hose line, or the plate or rod is dipped into an electrolyte bath together with the cotton swab.
Eine Vorrichtung zur galvanischen Beschichtung vergleichsweise kleiner Oberflächenbereiche ist aus der
Im Übrigen ist aus der
Neben den bekannten Verfahren zur Beschichtung ganzer Gegenstände mit einer Metallschicht sind somit auch Galvanisierungsverfahren bekannt, um vergleichsweise kleine Flächen zu beschichten oder sogar eine metallische Markierung auf einen Gegenstand aufzubringen. Für eine derart gezielte Beschriftung ist es allerdings erforderlich, zunächst eine geeignete Schablone herzustellen und den zu beschichtenden Gegenstand während des Beschichtungsvorgangs großflächig abzudecken. Besonders nachteilig für einen industriellen Fertigungsprozess ist an dieser Vorgehensweise, dass zusätzlich zu dem eigentlichen Beschichtungsvorgang noch die weiteren Schritte des positionsgenauen Aufbringens und Abnehmens einer Schablone durchgeführt werden müssen. Weiterhin verfügen die bekannten Apparate und Schablonen zur Realisierung galvanischer Markierungen teilweise über einen vergleichsweise aufwendigen Aufbau, insbesondere dann, wenn nicht nur einfache Markierungen erzeugt werden sollen.In addition to the known methods for coating entire objects with a metal layer, electroplating methods are also known in order to coat comparatively small areas or even to apply a metallic marking to an object. For such a targeted inscription, however, it is necessary to first produce a suitable template and the object to be coated during to cover a large area during the coating process. What is particularly disadvantageous about this procedure for an industrial manufacturing process is that in addition to the actual coating process, the further steps of applying and removing a stencil in the exact position have to be carried out. Furthermore, the known devices and stencils for the realization of galvanic markings sometimes have a comparatively complex structure, in particular when not only simple markings are to be produced.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen und den geschilderten Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Apparat sowie ein Verfahren anzugeben, mit denen ein Metallgegenstand auf vergleichsweise einfache Weise mit einer strukturierten Beschichtung versehen werden kann. Vor allem sollte eine strukturierte Beschichtung herstellbar sein, die eine Kennzeichnung eines metallischen Gegenstandes ermöglicht. Eine entsprechende strukturierte Beschichtung sollte sich mit einer Galvanikanlage erzeugen lassen, die über den generell bekannten konstruktiven Aufbau verfügt und dennoch eine individualisierte Kennzeichnung unterschiedlicher metallischer Bauteile oder metallischer Oberflächen ermöglicht. Des Weiteren sollte es mit der anzugebenden technischen Lösung möglich sein, strukturierte Beschichtungen mit unterschiedlichen, bedarfsgerecht ohne großen Aufwand konfigurierbaren Mustern auf Metallgegenstände aufzubringen. Die jeweilige Beschichtung sollte über eine Struktur verfügen, die eine individuelle, spezifische und möglichst nicht oder nur mit verhältnismäßig großem Aufwand reproduzierbare Kennzeichnung eines Metallgegenstandes darstellt.Proceeding from the solutions known from the prior art and the problems described, the invention is based on the object of specifying an apparatus and a method with which a metal object can be provided with a structured coating in a comparatively simple manner. Above all, it should be possible to produce a structured coating that enables a metallic object to be identified. A correspondingly structured coating should be able to be produced with an electroplating system that has the generally known structural design and still allows individualized marking of different metallic components or metallic surfaces. Furthermore, it should be possible with the technical solution to be specified to apply structured coatings to metal objects with different patterns that can be configured as needed without great effort. The respective coating should have a structure that represents an individual, specific identification of a metal object that, if possible, cannot be reproduced or can only be reproduced with relatively great effort.
Die zuvor beschriebene Aufgabe wird mit einem Apparat gemäß Anspruch 1 sowie einem Verfahren nach Anspruch 7 gelöst. Ein Metallgegenstand, der über eine speziell hergestellte strukturierte Beschichtung verfügt, ist im Anspruch 15 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.The object described above is achieved with an apparatus according to
Die Erfindung betrifft einen Apparat zur Aufbringung einer strukturierten Beschichtung auf eine Oberfläche eines Metallgegenstandes. Unter Metallgegenstand ist im Sinne der Erfindung sowie der folgenden Beschreibung sowohl ein vollständig aus Metall bestehender Gegenstand als auch eine metallische Schicht auf einem Gegenstand zu verstehen. Der Apparat verfügt über einen Elektrolytspeicher, in dem ein Elektrolyt, der Metallionen aufweist, angeordnet ist und der derart eingerichtet ist, dass der Elektrolyt während eines Beschichtungsvorgangs zumindest mit einem zu beschichtenden Bereich der Oberfläche des Metallgegenstandes in Kontakt bringbar ist, über eine Elektrode, die zumindest während des Beschichtungsvorgangs mit dem Elektrolyten in Kontakt steht und zumindest an einem vom Elektrolyt kontaktierten Oberflächenbereich ein Metall aufweist, und über eine Schnittstelle zum Anschluss einer Spannungsquelle, die während des Beschichtungsvorgangs mit dem Metallgegenstand und der Elektrode derart in einem elektrischen Stromkreis verschaltet ist, dass die mit dem Elektrolyten in Kontakt stehende Elektrode eine Anode und der zu beschichtende, mit dem Elektrolyten in Kontakt stehende Metallgegenstand eine Kathode bildet. Der erfindungsgemäß ausgeführte Apparat zeichnet sich dadurch aus, dass die Elektrode auf einer während des Beschichtungsvorgangs dem Metallgegenstand zugewandten Oberfläche eine Elektrodenstruktur aufweist, die in Abhängigkeit der Oberflächentextur, Rauigkeit, Form und/oder der Geometrie der auf die Oberfläche des Metallgegenstandes aufzubringenden Beschichtung ausgeführt ist. Wesentlich für den erfindungsgemäß ausgeführten Apparat ist somit, dass die als Anode verwendete Elektrode auf ihrer Oberfläche eine geeignete Elektrodenstruktur aufweist, die die gezielte Aufbringung einer strukturierten Beschichtung auf den Metallgegenstand ermöglicht. Generell ist es denkbar, dass die Elektrodenstruktur ein regelmäßiges Muster, etwa bestehend aus Gräben und Erhöhungen und/oder spezielle geometrische Formen oder Strukturen auf der Oberfläche der Elektrode aufweist. Das Muster der Elektrodenstruktur kann hierbei über eine gesamte Seite der Elektrode oder über einen Flächenbereich gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt angeordnet sein. Im Übrigen ist es auf vorteilhafte Weise denkbar, die Spannungsquelle, etwa in Form von Batterien oder Akkumulatoren, in den Apparat zu integrieren, sodass eine besonders kompakte und gleichzeitig mobile Beschichtungseinheit geschaffen wird. Ebenso ist es denkbar, dass die Elektrode eine Elektrodenstruktur mit wenigstens zwei verschiedenen Mustern aufweist, welche sich durch bestimmte Oberflächenrauigkeiten, Oberflächentexturen, Formen, Strukturelemente und/oder Einsatz bestimmter geometrischer Elemente unterscheiden. Aufgrund der erfindungsgemäßen technischen Lösung mit einer definierten Elektrodenstruktur an der Anode wird die Aufbringung einer zumindest hinsichtlich ihrer Grobstruktur gezielt gestalteten Oberflächenstruktur auf einen metallischen Gegenstand oder eine metallische Fläche ermöglicht, wobei der jeweils zu beschichtende Metallgegenstand in Bezug auf den galvanischen Beschichtungsvorgang die Kathode darstellt.The invention relates to an apparatus for applying a structured coating to a surface of a metal object. For the purposes of the invention and the following description, a metal object is to be understood as meaning both an object consisting entirely of metal and a metallic layer on an object. The apparatus has an electrolyte reservoir in which an electrolyte containing metal ions is arranged and which is set up in such a way that during a coating process the electrolyte can be brought into contact with at least one area of the surface of the metal object to be coated, via an electrode which is in contact with the electrolyte at least during the coating process and has a metal at least on a surface area contacted by the electrolyte, and via an interface for connecting a voltage source, which is connected in an electrical circuit to the metal object and the electrode during the coating process in such a way that the electrode in contact with the electrolyte forms an anode and the metal object to be coated in contact with the electrolyte forms a cathode. The apparatus designed according to the invention is characterized in that the electrode has an electrode structure on a surface facing the metal object during the coating process, which is designed depending on the surface texture, roughness, shape and/or the geometry of the coating to be applied to the surface of the metal object. It is therefore essential for the apparatus designed according to the invention that the electrode used as anode has a suitable electrode structure on its surface, which enables a structured coating to be applied in a targeted manner to the metal object. It is generally conceivable that the electrode structure has a regular pattern, for example consisting of trenches and elevations and/or special geometric shapes or structures on the surface of the electrode. In this case, the pattern of the electrode structure can be distributed uniformly or non-uniformly over an entire side of the electrode or over a surface area. In addition, it is conceivable in an advantageous manner to integrate the voltage source, for example in the form of batteries or accumulators, into the apparatus, so that a particularly compact and at the same time mobile coating unit is created. It is also conceivable that the electrode has an electrode structure with at least two different patterns, which differ in terms of specific surface roughness, surface textures, shapes, structural elements and/or the use of specific geometric elements. Due to the technical solution according to the invention with a defined electrode structure on the anode, it is possible to apply a surface structure that is specifically designed, at least with regard to its rough structure, to a metallic object or a metallic surface, with the metal object to be coated representing the cathode in relation to the galvanic coating process.
Im Weiteren ist es auf bevorzugte Weise möglich, auf einem metallischen Gegenstand oder der metallischen Oberfläche eines zu beschichtenden Gegenstandes eine strukturierte Beschichtung herzustellen, deren Strukturamplitude im Submillimeterbereich liegt. Auf besonders bevorzugte Weise ist es mit einem Apparat, der gemäß der Erfindung ausgeführt ist, sogar möglich, variabel Beschichtungen im Mikro- oder Nanometerbereich auf eine metallische Oberfläche, beispielsweise eine Edelmetalloberfläche aufzubringen.Furthermore, it is possible in a preferred manner to apply a structured coating to a metallic object or the metallic surface of an object to be coated produce, whose structure amplitude is in the submillimeter range. In a particularly preferred manner, with an apparatus designed according to the invention, it is even possible to apply variable coatings in the micrometer or nanometer range to a metallic surface, for example a noble metal surface.
Generell erfolgt die erfindungsgemäße Strukturierung der Elektrode sowie die Beschichtung eines Metallgegenstandes oder zumindest einer metallischen Oberfläche unter Berücksichtigung des sogenannten Hundeknocheneffekts. Dieser Effekt beruht darauf, dass bei einer galvanischen Beschichtung die Stromdichte im Beschichtungsspalt nicht konstant ist. Vielmehr ist die Stromdichte an exponierten Stellen höher, sodass die aufgebrachte Schicht insbesondere an Kanten, Ecken, herausragenden Flächen und Punkten größer als in anderen Bereichen ist. In general, the structuring of the electrode according to the invention and the coating of a metal object or at least a metal surface are carried out taking into account the so-called dog bone effect. This effect is based on the fact that the current density in the coating gap is not constant in the case of a galvanic coating. Rather, the current density is higher at exposed points, so that the applied layer is larger than in other areas, especially at edges, corners, protruding surfaces and points.
Demgegenüber ist die Stromdichte, und somit die Schichtdicke, im Bereich von Vertiefungen oder nur vergleichsweise geringfügig erhabenen Flächen, in den sogenannter Stromschattenpartien, geringer. Insgesamt ist die Stromdichte somit regelmäßig bei Beschichtung eines strukturierten Bauteils an dessen erhabenen Bauteilflächen und/oder bei Einsatz einer erfindungsgemäß strukturierten Elektrode in einem an die erhabenen Elektrodenbereichen angrenzenden Spaltbereich erhöht und führt zu größeren Schichtdicken auf dem zu beschichtenden Gegenstand. Um diesem Effekt zumindest teilweise entgegenzuwirken, werden daher vorzugsweise Ecken, Kanten, Spitzen und andere erhabene Strukturen der erfindungsgemäß eingesetzten Elektrode und/oder eines strukturierten zu beschichtenden Gegenstandes abgerundet ausgeführt.In contrast, the current density, and thus the layer thickness, is lower in the area of depressions or areas that are only comparatively slightly raised, in the so-called current shadow areas. Overall, the current density is thus regularly increased when coating a structured component on its raised component surfaces and/or when using an electrode structured according to the invention in a gap region adjoining the raised electrode regions and leads to greater layer thicknesses on the object to be coated. In order to at least partially counteract this effect, corners, edges, points and other raised structures of the electrode used according to the invention and/or of a structured object to be coated are therefore preferably rounded.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung verfügt die Elektrodenstruktur zumindest während des Beschichtungsvorgangs über wenigstens zwei unterschiedliche Muster, Formen, Strukturelemente und/oder Geometrien. Auf diese Weise ist es möglich, Metallgegenstände sehr variabel mit einer individuellen Kennzeichnung zu versehen, die eine einfache Identifizierung des jeweiligen Gegenstandes ermöglicht.In a specific embodiment of the invention, the electrode structure has at least two different patterns, shapes, structural elements and/or geometries, at least during the coating process. In this way, it is possible to provide metal objects with an individual marking in a very variable manner, which enables the respective object to be identified easily.
Eine weitere spezielle Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Apparates sieht vor, dass die Elektrode wenigstens ein Befestigungselement aufweist, um zumindest ein Strukturelement der Elektrodenstruktur austauschbar mit der Elektrode zu verbinden. Bei dieser technischen Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, auf der Oberfläche der Elektrode eine Elektrodenstruktur durch bedarfsgerechte Befestigung eines oder einer Mehrzahl unterschiedlicher Strukturelemente bereitzustellen, wobei das wenigstens eine Strukturelement mithilfe des Befestigungselements an oder auf der während des Beschichtungsvorgangs die Anode bildenden Elektrode befestigt wird. Auf vorteilhafte Weise kann ein derartiges Befestigungselement über Klemm-, Steck- und/oder Schnappelemente verfügen, die bevorzugt ein werkzeugloses Befestigen und Lösen entsprechender Strukturelemente an einer Elektrode ermöglichen. Ebenso ist es denkbar, als Befestigungselement wenigstens eine Schraube vorzusehen, mit der ein geeignetes Strukturelement der Elektrodenstruktur an der Elektrode befestigt wird.A further special embodiment of the apparatus according to the invention provides that the electrode has at least one fastening element in order to connect at least one structural element of the electrode structure to the electrode in an exchangeable manner. With this technical configuration of the invention, it is possible to provide an electrode structure on the surface of the electrode by fastening one or a plurality of different structural elements as required, with the at least one structural element being fastened to or on the electrode forming the anode during the coating process using the fastening element. Such a fastening element can advantageously have clamping, plug-in and/or snap-on elements which preferably allow corresponding structural elements to be fastened and detached from an electrode without the use of tools. It is also conceivable to provide at least one screw as the fastening element, with which a suitable structural element of the electrode structure is fastened to the electrode.
Von besonderer Bedeutung für die Beschichtung einer metallischen Oberfläche eines Gegenstandes ist der Abstand zwischen der Elektrodenstruktur der Elektrode und der metallischen Oberfläche. Dieser Abstand, also die Spaltbreite des zwischen der Elektrodenstruktur und der zu beschichtende Metalloberfläche gebildeten Spalts, hat erheblichen Einfluss auf die Ausbildung einer strukturierten Beschichtung auf der Metalloberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein mittlerer Abstand zwischen der strukturierten Elektrode, die die Anode bildet, und dem zu beschichtenden Gegenstand, der die Kathode bildet, in einem Bereich von 1 bis 2000 µm gewählt. Im Weiteren ist es von besonderem Vorteil, wenn die Strukturhöhen bezogen auf eine Fläche von 0,8 bis 1,2 cm2, vorzugsweise von 1 cm2 einen Wert von bis zu 2000 µm annehmen. Im Weiteren ist es auf vorteilhafte Weise denkbar, eine Stelleinheit vorzusehen, mit der eine Breite des Spaltes zwischen der Elektrodenstruktur der Elektrode und dem Metallgegenstand, insbesondere während des Beschichtungsvorgangs, gezielt einstellbar ist. Vorzugsweise ist wenigstens ein Abstandssensor vorgesehen, der den Spaltabstand misst, sodass es generell denkbar ist, die Spaltbreite zumindest teilweise automatisiert und vorzugsweise geregelt in Abhängigkeit der herzustellenden oder bereits hergestellten strukturierten Beschichtung auf dem Metallgegenstand einzustellen.The distance between the electrode structure of the electrode and the metallic surface is of particular importance for the coating of a metallic surface of an object. This distance, ie the gap width of the gap formed between the electrode structure and the metal surface to be coated, has a considerable influence on the formation of a structured coating on the metal surface of the object to be coated. According to a preferred embodiment of the invention, an average distance between the structured electrode, which forms the anode, and the object to be coated, which forms the cathode, is selected in a range from 1 to 2000 μm. Furthermore, it is of particular advantage if the structure heights, based on an area of 0.8 to 1.2 cm 2 , preferably 1 cm 2 , assume a value of up to 2000 μm. Furthermore, it is conceivable in an advantageous manner to provide a setting unit with which a width of the gap between the electrode structure of the electrode and the metal object can be adjusted in a targeted manner, in particular during the coating process. At least one distance sensor is preferably provided, which measures the gap distance, so that it is generally conceivable to set the gap width at least partially automatically and preferably in a controlled manner depending on the structured coating to be produced or already produced on the metal object.
Mit einer Elektrode, die über eine erfindungsgemäß ausgeführte Elektrodenstruktur verfügt, können grundsätzlich beliebig oft Beschichtungsvorgänge realisiert werden. Da gemäß der Erfindung die Abscheidung von Metallionen aus dem Elektrolyten erfolgt, nutzt sich die als Anode verwendete Elektrode, insbesondere deren Elektrodenstruktur nur sehr geringfügig oder gar nicht ab, sodass diese vergleichsweise lange verwendet werden kann. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Apparats wird in Abhängigkeit der Elektrodenstruktur auf der metallischen Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes gezielt eine strukturierte Beschichtung mit einer speziellen Grobstruktur aufgebracht. Je nach spezifischer Gestaltung der Elektrodenstruktur kann diese Grobstruktur vergleichsweise klein werden. Darüber hinaus ist es denkbar, dass eine Elektrodenstruktur aus verschiedenen, nebeneinander oder übereinander angeordneten Elektrodenmustern gebildet wird, sodass entsprechend individuelle oder individualisierbare Oberflächenstrukturen auf der metallischen Oberfläche erzeugt werden können. Die verschiedenen Elektrodenmuster können hierbei Teil separater Strukturelemente sein, die allein oder gemeinsam die Elektrodenstruktur bilden, in diese integriert oder integrierbar sind. Ferner ist es denkbar verschiedene Elektrodenmuster austauschbar an der die Anode bildenden Elektrode zu befestigen.In principle, any number of coating processes can be implemented with an electrode that has an electrode structure designed according to the invention. Since, according to the invention, metal ions are separated from the electrolyte, the electrode used as anode, in particular its electrode structure, wears out only very slightly or not at all, so that it can be used for a comparatively long time. With the aid of the apparatus according to the invention, a structured coating with a special coarse structure is applied in a targeted manner, depending on the electrode structure, on the metallic surface of the object to be coated. Depending on the specific design of the electrode structure, this rough structure can be comparatively small. In addition, it is conceivable that an electrode structure is formed from different electrode patterns arranged next to one another or one on top of the other, so that correspondingly individual or customizable surface structures can be produced on the metallic surface. In this case, the various electrode patterns can be part of separate structural elements which alone or together form the electrode structure, are integrated or can be integrated into it. Furthermore, it is conceivable to attach different electrode patterns interchangeably to the electrode forming the anode.
Neben der Ausgestaltung der Elektrodenstruktur haben vor allem die Wahl eines geeigneten Elektrolyten, der Metallionen enthält, die Stromdichte innerhalb des Spalts zwischen der Elektrode und der zu beschichtenden Oberfläche als auch die Dauer des Stromflusses einen Einfluss auf die Dicke und Struktur der auf die metallische Oberfläche aufgebrachten Beschichtung. Durch Variation der zuvor genannten Parameter ist es möglich eine veränderte Struktur der Beschichtung einer metallenen Oberfläche zu erzeugen. Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, den Elektrolyten insbesondere innerhalb des Spalts zu bewegen. Hierfür ist bevorzugt wenigstens ein Pumpelement, eine Düse und/oder eine Strömungsschikane vorgesehen. So ist es etwa denkbar, wenigstens eine Pumpe vorzusehen, mit der der Elektrolyt zumindest zeitweise umgewälzt wird und/oder ein Lochblech derart anzuordnen, dass der Elektrolyt zumindest bereichsweise eine Strömungsumlenkung und/oder Änderung der Strömungsgeschwindigkeit erfährt. Eine weitere Ausgestaltung sieht alternativ oder ergänzend vor, dass die strukturierte Elektrode selbst Löcher aufweist und/oder die spezielle Elektrodenstruktur über geeignete Löcher verfügt. Ebenso ist es denkbar, eine Sensoreinheit vorzusehen, mit der wenigstens eine Eigenschaft des Elektrolyten, insbesondere die Metallionenkonzentration, erfasst und bei Bedarf unverbrauchter Elektrolyt und/oder wenigstens eine Komponente in den Elektrolytspeicher zudosiert wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Änderung zumindest einer Elektrolyteigenschaft, beispielsweise der Leitfähigkeit und/oder der Metallionenkonzentration, optisch detektiert, wobei vorzugsweise eine Farbänderung durch einen Bediener und/oder wenigstens einen optischen Sensor erkannt wird.In addition to the design of the electrode structure, the choice of a suitable electrolyte containing metal ions, the current density within the gap between the electrode and the surface to be coated and the duration of the current flow have an influence on the thickness and structure of the metal surface coating. By varying the parameters mentioned above, it is possible to produce a different structure of the coating on a metal surface. According to a particular embodiment of the invention, in this connection it is provided that the electrolyte is moved in particular within the gap. At least one pump element, one nozzle and/or one flow baffle is preferably provided for this purpose. It is conceivable, for example, to provide at least one pump with which the electrolyte is at least temporarily circulated and/or to arrange a perforated plate in such a way that the electrolyte experiences a flow deflection and/or a change in flow speed at least in certain areas. Alternatively or additionally, a further configuration provides that the structured electrode itself has holes and/or the special electrode structure has suitable holes. It is also conceivable to provide a sensor unit with which at least one property of the electrolyte, in particular the metal ion concentration, is recorded and, if necessary, unused electrolyte and/or at least one component is metered into the electrolyte reservoir. According to a preferred embodiment, a change in at least one electrolyte property, for example the conductivity and/or the metal ion concentration, is optically detected, with a color change preferably being recognized by an operator and/or at least one optical sensor.
Wesentlich bei der Herstellung einer strukturierten Beschichtung auf einer metallischen Oberfläche ist, dass nicht nur die in Abhängigkeit der gewählten Elektrodenstruktur erzeugte Grobstruktur der Beschichtung hergestellt wird, sondern darüber hinaus eine Feinstruktur erzeugt wird. Diese auf dem zu beschichtenden Metallgegenstand erzeugte Feinstruktur verfügt über Strukturen im Mikro- und Nanometerbereich und ist derart individuell, dass es selbst bei Einstellung technisch identischer Prozessparameter zu unterschiedlichen Zeitpunkten nicht möglich ist, die gleiche, von der gewählten Elektrodenstruktur abhängigen Grobstruktur in Kombination mit der gleichen Feinstruktur herzustellen. Eine mit dem erfindungsgemäß ausgeführten Apparat hergestellte Beschichtung einer metallischen Oberfläche lässt sich somit selbst bei Verwendung des selben Apparates und derselben prozesstechnischen Parameter kein zweites Mal herstellen, sodass eine einmal derart hergestellte strukturierte Beschichtung einer metallischen Oberfläche oder eines Metallgegenstandes eine individuelle, nicht reproduzierbare Markierung darstellt. Es lässt sich somit eine einzigartige Kennzeichnung eines Gegenstandes erzeugen, da eine identische Kennzeichnung eines Gegenstandes aufgrund der während eines Galvanisierungsprozesses nicht aktiv zu beeinflussenden, wenn auch minimal, aber stets auftretenden Schwankungen der Prozessparameter nicht möglich ist.When producing a structured coating on a metallic surface, it is essential that not only is the coarse structure of the coating produced as a function of the selected electrode structure, but that a fine structure is also produced. This fine structure created on the metal object to be coated has structures in the micro and nanometer range and is so individual that even if technically identical process parameters are set at different times, it is not possible to combine the same coarse structure, which depends on the selected electrode structure, with the same one produce fine structure. A coating of a metallic surface produced with the apparatus designed according to the invention cannot be produced a second time, even when using the same apparatus and the same process parameters, so that a structured coating of a metallic surface or a metal object produced in this way once represents an individual, non-reproducible marking. It is thus possible to create a unique identification of an object, since an identical identification of an object is not possible due to the fluctuations in the process parameters that cannot be actively influenced during an electroplating process, although they always occur, even if they are minimal.
Es ist somit nicht einmal mit demselben, erfindungsgemäß ausgeführten Apparat möglich, eine einmal hergestellte strukturierte Beschichtung ein zweites Mal zu erzeugen. Mithilfe eines erfindungsgemäß ausgeführten Apparates lassen sich somit besonders einzigartige Markierungen herstellen, da es nicht einmal geübtem Bedienpersonal mit demselben Apparat gelingen würde, eine einmal hergestellte Kennzeichnung ein zweites Mal herzustellen. Nach fertiggestellter, spezifisch strukturierter Beschichtung lassen sich die so gekennzeichneten Gegenstände mithilfe geeigneter Mess- bzw. Analyseverfahren identifizieren. Eine mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Apparat hergestellte Markierung wird auf vorteilhafte Weise auf wertvolle Gegenstände, unter Einsatz von besonderem Know-how hergestellte Bauteile und/oder sicherheitsrelevante Komponenten von Maschinen, beispielsweise Turbinenschaufeln, aufgebracht, um eine Nachahmung oder die Herstellung qualitativ minderwertiger Produkte zu vermeiden oder zumindest nachweisbar zu machen. Im Weiteren ist es auf vorteilhafte Weise denkbar Bauteile, insbesondere besonders wertvolle und/oder sicherheitsrelevante Bauteile, zu kennzeichnen und so deren Nutzung und Weiterverbreitung über den Bauteillebenszyklus zu überwachen oder nachzuverfolgen.It is therefore not even possible with the same apparatus designed according to the invention to produce a structured coating once it has been produced a second time. With the aid of an apparatus designed according to the invention, particularly unique markings can thus be produced, since not even experienced operating personnel would be able to use the same apparatus to produce a marking once produced a second time. Once the specifically structured coating has been completed, the objects marked in this way can be identified using suitable measurement or analysis methods. A marking produced with an apparatus designed according to the invention is applied in an advantageous manner to valuable objects, components manufactured using special know-how and/or safety-relevant components of machines, for example turbine blades, in order to avoid imitation or the production of inferior quality products or at least make it verifiable. Furthermore, it is conceivable in an advantageous manner to label components, in particular particularly valuable and/or safety-relevant components, and thus to monitor or track their use and further distribution over the component life cycle.
Um den Nachweis der Originalität einer auf einen metallischen Gegenstand oder einer metallischen Oberfläche eines Gegenstandes aufgebrachten strukturierten Beschichtung zu erbringen, ist es denkbar, nach Fertigstellung der strukturierten Beschichtung diese mithilfe der Röntgendiffraktometrie, UV-/VIS-Spektroskopie, Michelson-Interferometrie, Reflektometrie und/oder der Speckleinterferometrie zu vermessen und die Messergebnisse auf geeignete Weise zu sichern und abzuspeichern. Zum Nachweis, ob es sich bei einem Gegenstand um den jeweils mit dem erfindungsgemäß ausgeführten Apparat gekennzeichneten Gegenstand handelt, muss lediglich der zu untersuchende Gegenstand, insbesondere dessen strukturierte Beschichtung mit dem gleichen vorzugsweise unter gleichen Bedingungen und/oder Einsatz gleicher Messinstrumente, vermessen und die so erhaltenen Messergebnisse mit den Originalmessergebnissen verglichen werden.In order to provide evidence of the originality of a structured coating applied to a metallic object or a metallic surface of an object, it is conceivable, after the structured coating has been completed, to use X-ray diffractometry, UV/VIS spectroscopy, Michelson interferometry, reflectometry and/or or to measure the speckle interferometry and the measurement results secured and stored in a suitable manner. To prove whether an object is the object identified by the apparatus designed according to the invention, the object to be examined, in particular its structured coating, must be measured with the same, preferably under the same conditions and/or using the same measuring instruments, and the so obtained measurement results are compared with the original measurement results.
Im Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Aufbringung einer strukturierten Beschichtung auf eine Oberfläche eines Metallgegenstandes oder die metallische Oberfläche eines Gegenstandes,
- - bei dem in einem Elektrolytspeicher ein Elektrolyt, der Metallionen aufweist, bevorratet und der Elektrolyt während eines Beschichtungsvorgangs zumindest mit einem zu beschichtenden Bereich der Oberfläche des Metallgegenstandes in Kontakt gebracht wird,
- - eine Elektrode aus einem Metall oder zumindest ein mit einem Metall beschichteter Oberflächenbereich der Elektrode während des Beschichtungsvorgangs mit dem Elektrolyten in Kontakt gebracht wird, und
- - bei dem eine Spannungsquelle, der Metallgegenstand und die Elektrode während des Beschichtungsvorgangs derart in einem elektrischen Stromkreis verschaltet werden, dass die mit dem Elektrolyten in Kontakt stehende Elektrode eine Anode und der zu beschichtende, mit dem Elektrolyten in Kontakt stehende Metallgegenstand eine Kathode bildet.
- - in which an electrolyte containing metal ions is stored in an electrolyte reservoir and the electrolyte is brought into contact during a coating process with at least one area of the surface of the metal object to be coated,
- - an electrode made of a metal or at least a metal-coated surface area of the electrode is brought into contact with the electrolyte during the coating process, and
- - in which a voltage source, the metal object and the electrode are connected in an electrical circuit during the coating process in such a way that the electrode in contact with the electrolyte forms an anode and the metal object to be coated, in contact with the electrolyte, forms a cathode.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Elektrode bereitgestellt wird, die zumindest in einem Bereich ihrer Oberfläche eine Elektrodenstruktur aufweist, die in Abhängigkeit einer Oberflächentextur, einer Rauigkeit und/oder Geometrie der auf den Metallgegenstand aufzubringenden strukturierten Beschichtung ausgeführt ist, wobei die Elektrode während des Beschichtungsvorgangs zumindest zeitweise derart im Elektrolyten angeordnet wird, dass die Elektrodenstruktur dem Metallgegenstand zugewandt ist. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich auf vorteilhafte Weise durch Einsatz einer gezielt strukturierten Elektrode eine spezifisch strukturierte Beschichtung auf einer metallischen Oberfläche erzeugen. In Abhängigkeit der gewünschten Struktur, die auf der metallischen Oberfläche erzeugt werden soll, verfügt die Elektrode über eine spezielle Elektrodenstruktur, wobei auf geeignete Weise die Oberflächentextur, Rauigkeit, Struktur und/oder Geometrie bedarfsgerecht angepasst wird. Mithilfe einer Elektrode, die über eine derartige Elektrodenstruktur verfügt, wird während eines galvanischen Beschichtungsvorgangs aus dem Elektrolyten Metall gezielt auf die Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes aufgebracht. Hierbei wird auf dem zu beschichtenden Gegenstand eine Beschichtung erzeugt, deren Grobstruktur in Abhängigkeit der gewählten Elektrodenstruktur gezielt ausgeführt ist. Darüber hinaus wird dieser Grobstruktur während des Beschichtungsvorgangs eine Feinstruktur überlagert, die Strukturen im Mikro- und Nanometerbereich aufweist. Diese Feinstruktur ist nicht reproduzierbar. Mit Hilfe des erfindungsgemäß ausgeführten Verfahrens lässt sich somit wiederum eine nicht reproduzierbare und damit einzigartige Markierung auf einen metallischen Gegenstand erzeugen.The method according to the invention is characterized in that an electrode is provided which has an electrode structure in at least one area of its surface, which is designed as a function of a surface texture, a roughness and/or geometry of the structured coating to be applied to the metal object, the electrode is at least temporarily arranged in the electrolyte during the coating process in such a way that the electrode structure faces the metal object. With the aid of the method according to the invention, a specifically structured coating can be produced on a metallic surface in an advantageous manner by using a specifically structured electrode. Depending on the desired structure that is to be produced on the metallic surface, the electrode has a special electrode structure, with the surface texture, roughness, structure and/or geometry being adapted as required in a suitable manner. With the help of an electrode that has such an electrode structure, metal is applied from the electrolyte to the surface of the object to be coated during a galvanic coating process. In this case, a coating is produced on the object to be coated, the rough structure of which is specifically designed as a function of the selected electrode structure. In addition, a fine structure is superimposed on this coarse structure during the coating process, which has structures in the micrometer and nanometer range. This fine structure is not reproducible. With the aid of the method implemented according to the invention, a non-reproducible and therefore unique marking can thus in turn be produced on a metallic object.
In einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein mittlerer Abstand zwischen der strukturierten Elektrode, die die Anode darstellt, und dem zu beschichtenden Gegenstand, der die Kathode bildet, auf einen Wert in einem Bereich von 1 bis 2000 µm eingestellt wird. Im Weiteren ist es von besonderem Vorteil, wenn eine Elektrodenstruktur mit Strukturhöhen von bis zu 2000 µm bezogen auf eine Fläche von 0,8 bis 1,2 cm2, vorzugsweise von 1 cm2 ein erzeugt werden. In diesem Zusammenhang wird allerdings auch darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Lösung aus technischer Sicht nicht auf bestimmte Größenbereiche beschränkt ist. Vielmehr bilden in der Regel wirtschaftliche Randbedingungen, wie etwa die Kosten für das zur Herstellung einer strukturierten Elektrode verwendete Material, Grenzen für eine sinnvolle Anwendung der Erfindung.A special embodiment provides that an average distance between the structured electrode, which represents the anode, and the object to be coated, which forms the cathode, is set to a value in a range from 1 to 2000 μm. Furthermore, it is of particular advantage if an electrode structure with structure heights of up to 2000 μm relative to an area of 0.8 to 1.2 cm 2 , preferably 1 cm 2 , is produced. In this context, however, it is also pointed out that the solution according to the invention is not limited to specific size ranges from a technical point of view. Rather, economic boundary conditions, such as the costs for the material used to produce a structured electrode, generally form limits for a sensible application of the invention.
Im Weiteren kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Elektrodenstruktur zwischen zwei Beschichtungsvorgängen, also insbesondere zwischen der Beschichtung von zwei unterschiedlichen Gegenständen, verändert wird. Hierbei ist es denkbar, dass die Elektrodenstruktur jeweils ein Muster oder eine Kombination von wenigstens zwei Mustern enthält. Weiterhin es denkbar, dass die Elektrodenstruktur fester Bestandteil der Elektrode ist, und um eine auf einem Metallgegenstand erzeugbare Grobstruktur einer strukturierten Beschichtung zu verändern, vollständig ausgetauscht wird. Ebenso ist es denkbar, dass die Elektrode über eine zumindest teilweise austauschbare Elektrodenstruktur verfügt.Furthermore, it can preferably be provided that the electrode structure is changed between two coating processes, ie in particular between the coating of two different objects. It is conceivable here for the electrode structure to contain a pattern or a combination of at least two patterns. Furthermore, it is conceivable for the electrode structure to be a fixed component of the electrode and to be completely replaced in order to change a rough structure of a structured coating that can be produced on a metal object. It is also conceivable that the electrode has an at least partially replaceable electrode structure.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn verschiedene Strukturelemente mit unterschiedlichen Mustern, Oberflächenrauigkeiten, Oberflächentexturen, und/oder geometrischen Elementen vorgesehen sind, die bedarfsgerecht an einer Elektrode befestigt werden können. Auf diese Weise ist es möglich, strukturierte Beschichtungen mit einer individualisierten Grobstruktur zu erzeugen, indem zunächst bestimmte Strukturelemente allein und/oder wenigstens zwei Strukturelemente in Kombination ausgewählt und an der Elektrode befestigt werden und so während einer Beschichtung die Elektrodenstruktur der Elektrode bilden.In this context, it is particularly advantageous if different structural elements with different patterns, surface roughness, surface textures and/or geometric elements are provided, which can be attached to an electrode as required. In this way, it is possible to produce structured coatings with an individualized rough structure by first certain structural elements alone and / or at least two structural elements in Kom combination can be selected and attached to the electrode, thus forming the electrode structure of the electrode during coating.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass nach Herstellung der strukturierten Beschichtung ein Bild, eine sonstige Aufnahme, ein Messwert und/oder ein Datensatz erzeugt wird, der zumindest eine für die strukturierte Beschichtung spezifische Eigenschaft repräsentiert. Es werden somit mithilfe einer geeigneten Messung Messdaten erzeugt und vorzugsweise in einem Datenspeicher abgelegt, die spezifisch für die jeweils aufgebrachte strukturierte Beschichtung, insbesondere nicht nur für die Grobstruktur, sondern auch für die Feinstruktur, sind. Vorzugsweise wird das Bild, die sonstige Aufnahme, der Messwert und/oder der Datensatz wenigstens teilweise mit einer Röntgendiffraktometrie-, UV-/VIS-Spektroskopie-, Michelson-Interferometrie-, Reflektometrie- und/oder mit einer Speckle-Interferometrie-Messung erzeugt. Diese Messverfahren sind besonders geeignet, um die der Grobstruktur überlagerte Feinstruktur zu erfassen und damit einem Vergleich zweier Beschichtungen zur Verfügung zu stellen. In diesem Zusammenhang ist es auf vorteilhafte Weise denkbar, dass das Bild, die sonstige Aufnahme, der Messwert und/oder der Datensatz mit wenigstens einem zu einem anderen Zeitpunkt erzeugten und/oder anderweitig zur Verfügung gestellten Bild, sonstigen Aufnahme, Messwert und/oder Datensatz verglichen wird und auf der Grundlage des Vergleichs eine Information in Bezug auf einen Ähnlichkeitsgrad der verglichenen Bilder, sonstigen Aufnahmen, Messwerte und/oder Datensätze und damit hinsichtlich einer möglichen Identität der mit der untersuchten Beschichtung gekennzeichneten Gegenstände erzeugt wird. Diese technische Lösung ermöglicht somit die Überprüfung eines Gegenstandes dahingehend, ob es sich bei dem untersuchten Gegenstand um den zu einem anderen Zeitpunkt mit der initialen Beschichtung versehenen Gegenstand handelt. Da die Feinstruktur der auf der metallischen Oberfläche erzeugten strukturierten Beschichtung selbst bei Durchführung des gleichen Verfahrens unter Einsatz derselben Prozessparameter nicht reproduzierbar ist, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine nicht reproduzierbare und damit einzigartige Kennzeichnung eines Gegenstandes, der zumindest bereichsweise eine metallische Oberfläche aufweist, hergestellt werden.In a further embodiment it is provided that after the structured coating has been produced, an image, another recording, a measured value and/or a data set is generated which represents at least one property specific to the structured coating. With the help of a suitable measurement, measurement data are thus generated and preferably stored in a data memory, which are specific to the structured coating applied in each case, in particular not only for the coarse structure but also for the fine structure. The image, the other recording, the measured value and/or the data set is preferably generated at least partially with an X-ray diffraction, UV/VIS spectroscopy, Michelson interferometry, reflectometry and/or with a speckle interferometry measurement. These measuring methods are particularly suitable for detecting the fine structure superimposed on the coarse structure and thus making it possible to compare two coatings. In this context, it is advantageously conceivable that the image, the other recording, the measured value and/or the data set can be combined with at least one image, other recording, measured value and/or data set generated at another point in time and/or made available in some other way is compared and on the basis of the comparison information is generated with regard to a degree of similarity of the compared images, other recordings, measured values and/or data sets and thus with regard to a possible identity of the objects marked with the examined coating. This technical solution thus enables an object to be checked to determine whether the examined object is the object provided with the initial coating at a different point in time. Since the fine structure of the structured coating produced on the metallic surface cannot be reproduced even when the same method is carried out using the same process parameters, the method according to the invention can be used to produce a non-reproducible and therefore unique identification of an object that has a metallic surface at least in some areas .
Im Weiteren betrifft die Erfindung auch einen Metallgegenstand, insbesondere einen Metallgegenstand, der wenigstens teilweise ein Edelmetall aufweist, mit einer einzigartigen Markierung, die mit einem Apparat oder einer Vorrichtung gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen erzeugt wurde. Die Erfindung bezieht sich somit auch auf Gegenstände, die zumindest bereichsweise eine metallische Oberfläche aufweisen und die über eine Markierung, die auf der Erfindung beruht, versehen sind. Besonders geeignet ist die Nutzung der erfindungsgemäßen technischen Lösung für die Kennzeichnung wertvoller, sicherheitsrelevanter oder ansonsten nachahmungsgefährdeter Gegenstände, sodass eine Nachahmung oder eine Fälschung der Gegenstände auf Grund der auf sie aufgebrachten, nicht reproduzierbaren strukturierten Beschichtung ausgeschlossen wird oder wenigstens nachweisbar ist. Besonders wesentlich hierfür ist, dass die mit einem erfindungsgemäß ausgeführten Apparat oder einem erfindungsgemäß ausgeführten Verfahren hergestellte strukturierte Beschichtung nicht einmal von einem Nutzer, der denselben Apparat und oder dieselben Verfahrensparameter verwendet, hergestellt werden kann. Im Weiteren ist es von Bedeutung, dass der erfindungsgemäße Apparat sowie das entsprechende Verfahren flexibel einsetzbar ist. So können mit Hilfe speziell ausgebildeter Elektroden nicht nur spezifische Strukturen auf einer Metalloberfläche erzeugt, sondern generell auch größere Oberflächen beschichtet und insbesondere katalytische Oberflächen gezielt vergrößert werden. Ein ganz spezielles Einsatzgebiet für die Erfindung stellt im Übrigen die Herstellung von optischen Sensoren mit plasmonischen Nanostrukturen dar. Die aufgebrachten metallischen Nanostrukturen können hierbei auf vorteilhafte Weise etwa als optische Wandler für biomolekulare Sensoren eingesetzt werden.Furthermore, the invention also relates to a metal object, in particular a metal object that at least partially has a precious metal, with a unique marking that was produced with an apparatus or a device according to one of the embodiments described above. The invention thus also relates to objects which have a metallic surface at least in some areas and which are provided with a marking based on the invention. The use of the technical solution according to the invention is particularly suitable for marking valuable, security-relevant objects or objects otherwise at risk of imitation, so that imitation or counterfeiting of the objects is excluded or at least detectable due to the non-reproducible structured coating applied to them. It is particularly important for this that the structured coating produced with an apparatus designed according to the invention or a method executed according to the invention cannot even be produced by a user who uses the same apparatus and/or the same method parameters. Furthermore, it is important that the apparatus according to the invention and the corresponding method can be used flexibly. With the help of specially designed electrodes, not only can specific structures be produced on a metal surface, but larger surfaces can generally also be coated and, in particular, catalytic surfaces can be specifically enlarged. A very special field of application for the invention is the production of optical sensors with plasmonic nanostructures. The applied metallic nanostructures can be used here in an advantageous manner, for example as optical converters for biomolecular sensors.
Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand spezieller Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 : Schematische Darstellung eines erfindungsgemäß ausgeführten Apparats; -
2 : Gegenüberstellung zweier unterschiedlich ausgebildeter Elektrodenstrukturen; -
3 : Darstellung der Feldlinien sowie der resultierenden Stromdichte in einem Spalt zwischen unterschiedlich ausgeführten Elektrodenstrukturen und der zu beschichtenden Oberfläche; -
4 : Darstellung der Feldlinien sowie der resultierenden Strom- und Feldliniendichte bei gleichbleibender Spaltbreite und Veränderung der Strukturbreite der Elektrodenstruktur; -
5 : Draufsicht auf eine Elektrodenstruktur, die aus mehreren Strukturelementen mit unterschiedlichen, austauschbaren Oberflächenmustern gebildet wird; -
6 : Schematische Darstellung des Grundaufbaus eines erfindungsgemäß ausgeführten Apparats; -
7 : Schnittansicht eines als Mikrozelle ausgeführten Apparats gemäß der Erfindung; -
8 : Schnittansicht eines als Stift ausgeführten Apparats gemäß der Erfindung; -
9 : Schnittansicht eines als Aufsatz ausgeführten Apparats gemäß der Erfindung; -
10 : Schnittansicht eines erfindungsgemäß ausgeführten Apparats; -
11 : Detailansicht eines Halters zur Aufnahme eines zu beschichtenden Gegenstandes sowie -
12 : Schematische Darstellung unterschiedlich ausgeführter Elektrodenstrukturen als Einzelstrukturen.
-
1 : Schematic representation of an apparatus designed according to the invention; -
2 : Comparison of two differently designed electrode structures; -
3 : Representation of the field lines and the resulting current density in a gap between differently designed electrode structures and the surface to be coated; -
4 : Representation of the field lines and the resulting current and field line density with the same gap width and changing the structure width of the electrode structure; -
5 : Top view of an electrode structure that is formed from a number of structural elements with different, interchangeable surface patterns; -
6 : Schematic representation of the basic structure of an apparatus designed according to the invention; -
7 Fig. 1: sectional view of an apparatus implemented as a microcell according to the invention; -
8th Fig. 1: sectional view of a pen-embodied apparatus according to the invention; -
9 Fig. 1: sectional view of an attachment designed apparatus according to the invention; -
10 : sectional view of an apparatus designed according to the invention; -
11 : Detailed view of a holder for holding an object to be coated and -
12 : Schematic representation of differently designed electrode structures as individual structures.
Wesentlich an der in
Auf der zu beschichtenden metallischen Oberfläche 2 wird mithilfe der gezeigten Elektrode 5 eine strukturierte Beschichtung aufgebracht, die eine von der Ausführung der Elektrodenstruktur 8 abhängige Grobstruktur sowie eine spezifische Feinstruktur aufweist. In Abhängigkeit der Elektrodengröße, der gewählten Elektrodenstruktur und der Abscheidedauer lassen sich strukturierte Beschichtungen mit Strukturhöhen von einigen Nanometern, optimalerweise im Submillimeterbereich oder von 1 bis 100 mm erzeugen. Voraussetzung für die Erzeugung einer einzigartigen Feinstruktur ist unter anderem, dass der Abstand der Elektrode 5 mit ihrer Elektrodenstruktur 8 vom zu beschichtenden Gegenstand 3 sehr genau eingestellt werden kann, da für große Abstände die Inhomogenität der elektrischen Feldverteilung und damit die Individualisierung der Feinstruktur nachlassen würde. Ein Aspektverhältnis, also ein Verhältnis des Abstands von Elektrode 5 zum zu beschichtenden Gegenstand 3 zur Strukturbreite, also dem durchschnittlichen Abstand benachbarter Erhebungen oder Vertiefungen der Elektrodenstruktur 8 auf der Elektrode 5, sollte im einstelligen Bereich liegen und vorzugsweise 1 betragen.On the
Im Weiteren zeigt
In Ergänzung zu
Die
Der in
Gemäß der in
Die Strömung verhindert eine dauerhafte störende Bildung von eventuell in Abhängigkeit der gewählten Prozessparameter auftretenden Gasblasen an den Elektroden. Darüber hinaus verfügt der in
According to the
The flow prevents a permanent disruptive formation of gas bubbles that may occur on the electrodes depending on the selected process parameters. In addition, the in
Unabhängig von der Ausgestaltung als Aufsatz oder Stift verfügt eine solche Mikrozelle bzw. ein solches Werkzeug über einen Abstandhalter 16 oder und ein Dichtelement 19, das während des Beschichtungsvorgangs in Kontakt zu dem zu beschichtenden Gegenstand 3 steht, und kann beliebig auf einen Gegenstand 3, beispielsweise einen Metallgegenstand, wie es in
Da die Feldstärke an der Elektrode 5 und damit die Stromdichte mit dem Quadrat des Abstandes zwischen Elektrode 5 und zu beschichtendem Gegenstand 3 abnimmt, ist die Einstellung oder Einstellbarkeit eines möglichst kleinen Abstandes vorteilhaft, um die gewünschte strukturierte Beschichtung herstellen zu können. Dies wird vorzugsweise mit Hilfe geeigneter Abstandhalter 16 und/oder einer Stelleinheit 10 erreicht. Besonders bevorzugt ist eine Stelleinheit 10 vorgesehen, die über einen Piezoantrieb verfügt, um die jeweils erforderlichen Verstellungen mit der benötigten Positioniergenauigkeit vorzunehmen. Im Weiteren ist aufgrund des geringen Abstandes zu beachten, dass sich während der galvanischen Abscheidung ein Gradient in der Elektrolytkonzentration ausbildet, da es im Bereich der zu beschichtenden Oberfläche 2 zu einer stärkeren Abnahme der im Elektrolyten 7 gelösten Metallionen als in anderen Bereichen kommt. Aus diesem Grund sind bei einem erfindungsgemäß ausgeführten Apparat 1, insbesondere wenn dieser als Mikrozelle gestaltet ist, strömungsleitende Elemente 18 vorgesehen, um die ausreichende Durchmischung des Elektrolyten 7 zu gewährleisten. Hierzu können etwa mikrogelochte Zuführungen in der strukturierten Elektrode 5, Mikrodüsen oder Mikrorührer und/oder vergleichsweise kleine Zuleitungen in Richtung des Spaltes 11 zwischen Elektrode 5 und zu beschichtender Oberfläche 2 gehören.
Regardless of whether it is designed as an attachment or pin, such a micro cell or tool has a
Since the field strength at the
Ebenfalls innerhalb des Elektrolytbehälters, in einer Aufnahme 16 fixiert und von einem Kathodenkontaktdraht 22 aus Platin kontaktiert, befindet sich der zu beschichtende Metallgegenstand 3. Wird an den Metallgegenstand 3 und die Elektrode 5 eine Spannungsquelle 6 angeschlossen und aktiviert, fließt ein Strom von der Elektrode 5 mit ihrer Elektrodenstruktur 8, die hier die Anode und damit den Pluspol darstellt, ein Strom zu dem zu beschichtenden Metallgegenstand 3, der die Kathode, also den Minuspol bildet. Hierbei werden in dem Elektrolyten 7 gelöste Metallionen aus diesem herausgelöst und aufgrund einer Reduktionsreaktion die entsprechenden Metallschicht auf dem zu beschichtenden Gegenstand 3 abgeschieden. Durch die auf geeignete Weise gewählte Elektrodenstruktur 8 wird auf den Metallgegenstand 3 eine Metallbeschichtung mit einer spezifischen Grobstruktur und einer diese überlagernde Feinstruktur aufgebracht.
In diesem Zusammenhang ist es etwa denkbar, als Kathode einen zu beschichtenden metallischen Barren zu verwenden, der mithilfe einer auf der dem metallischen Barren während des Beschichtungsvorgangs zugewandten Oberfläche strukturierten Elektrode 5 beschichtet wird. Auf diese Weise können gezielt Markierungen, die nicht reproduzierbar sind, auf einer Metalloberfläche oder andere wertvolle Gegenstände aufgebracht werden.
Wie bereits zuvor erläutert, lässt sich mithilfe des in
Mit dem in
In this context, it is conceivable, for example, to use a metallic bar to be coated as the cathode, which is coated with the aid of an
As explained before, using the in
with the inside
Unterhalb des Elektrolytbehälters ist ein Behälterhalter 23 vorgesehen, in dem der Elektrolytbehälter fixiert ist und der mithilfe einer geeigneten zweiten Stelleinheit 10b in zwei Richtungen bewegbar ist, die nicht mit der Bewegungsrichtung der oberhalb des Elektrolytbehälters angeordneten Stelleinheit 10a, an der der Anodenhalter 21 befestigt ist, zusammenfallen. Vielmehr sind die beiden Stelleinheiten 10a, 10b derart ausgeführt, dass sich mit ihnen drei Bewegungsrichtungen realisieren lassen, die orthogonal zueinander angeordnet sind.A
Im Übrigen verfügt der in
Ergänzend zeigt
Abschließend zeigt
Vor allem in Abhängigkeit der zeitlichen Dauer eines Beschichtungsvorgangs ist es in Bezug auf die erzeugte Grobstruktur denkbar, dass diese entweder mit dem bloßen Auge erkennbar ist oder aber hierfür ebenfalls zusätzliche technische Einrichtungen, wie etwa eine Lupe oder ein Mikroskop, erforderlich sind.
Da sich durch Auswahl einer geeignet ausgeführten Elektrodenstruktur 8 sowie durch Kombination von Strukturelementen 12 mit unterschiedlichen Mustern 13 zur Ausbildung einer speziellen Elektrodenstruktur 8 generell beliebig viele unterschiedliche Grobstrukturen mit verhältnismäßig geringem Aufwand herstellen lassen und darüber hinaus vor allem die diesen überlagerten Feinstrukturen auch unter Verwendung desselben Apparates 1 und derselben Verfahrensparameter nicht reproduzierbar sind, stellt die beschriebene technische Lösung eine bevorzugte Möglichkeit dar, um beispielsweise besonders wertvolle oder sicherheitsrelevante Gegenstände 3 einzigartig zu markieren und so eine Nachahmung und/oder Betrugsversuche zuverlässig zu verhindern oder zumindest nachweisbar zu machen.Finally shows
Depending on the duration of a coating process in particular, it is conceivable that the coarse structure produced can either be seen with the naked eye or that additional technical equipment such as a magnifying glass or a microscope is also required for this.
Since by selecting a suitably designed
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Apparat zur Aufbringung einer strukturierten BeschichtungApparatus for applying a textured coating
- 22
- Oberfläche eines Metallgegenstandessurface of a metal object
- 33
- Metallgegenstandmetal object
- 44
- Elektrolytspeicherelectrolyte storage
- 55
- Elektrodeelectrode
- 66
- Spannungsquellevoltage source
- 77
- Elektrolytelectrolyte
- 88th
- Elektrodenstrukturelectrode structure
- 99
- Befestigungselementfastener
- 1010
- Stelleinheit actuator
- 10 a10 a
- erste Stelleinheitfirst actuator
- 10 b10 b
- zweite Stelleinheit second actuator
- 1111
- Spaltgap
- 1212
- Strukturelementstructural element
- 1313
- MusterPattern
- 1414
- Steuereinheitcontrol unit
- 1515
- Aufnahme für MetallgegenstandRecording for metal object
- 1616
- Abstandhalterspacers
- 1717
- Rührelementstirring element
- 1818
- strömungsleitendes Elementflow-guiding element
- 1919
- Dichtelementsealing element
- 2020
- Geräteträgerequipment carrier
- 2121
- Anodenhalteranode holder
- 2222
- Kathodenkontaktdrahtcathode contact wire
- 2323
- Behälterhaltercontainer holder
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- EP 0370239 A1 [0004]EP 0370239 A1 [0004]
- WO 2016/098087 A1 [0005]WO 2016/098087 A1 [0005]
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Citations (4)
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EP0370239A1 (en) | 1988-11-19 | 1990-05-30 | Degussa Aktiengesellschaft | Apparatus for selective electroplating |
JPH05271998A (en) | 1992-03-30 | 1993-10-19 | Seiko Instr Inc | Microfabrication device |
CN102766892A (en) | 2012-08-10 | 2012-11-07 | 重庆绿色智能技术研究院 | Micro-nano processing method and device |
WO2016098087A2 (en) | 2014-12-19 | 2016-06-23 | Weber-Hydraulik Gmbh | Method for optically inscribing and/or marking round stock |
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2020
- 2020-10-16 DE DE102020127401.7A patent/DE102020127401A1/en active Pending
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