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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung dreidimensionaler Werkstückoberflächen, mindestens umfassend die Verfahrensschritte
- a) Bereitstellen eines Werkstücks mit einem dreidimensionalen Oberflächenprofil;
- b) Festlegen einer Soll-Bewegungsbahn eines Beschichtungswerkzeuges durch die Aneinanderreihung dreidimensionaler Bahnpunkte und Abfahren der Beschichtungsbahn über eine Relativbewegung zwischen Beschichtungswerkzeug und Werkstückoberfläche unter Aufbringen einer aushärtbaren Beschichtungsflüssigkeit auf zumindest einen Oberflächenbereich des Werkstücks,
- c) Festlegen einer Soll-Bewegungsbahn eines Aushärtungswerkzeuges durch die Aneinanderreihung dreidimensionaler Bahnpunkte und Abfahren der Aushärtungsbahn über eine Relativbewegung zwischen Aushärtungswerkzeug und Werkstückoberfläche unter ortssensitiven Aufbringen eines Aushärtungsmittels auf zumindest einen Teilbereich der im Schritt b) beschichteten Werkstückoberfläche, wobei die ortssensitiv aufgebrachte Menge an Aushärtungsmittel zumindest in den im Verfahrensschritt b) beschichteten Oberflächenbereichen der dreidimensionalen Werkstückoberfläche derart gesteuert wird, dass in jedem beschichteten Oberflächenbereich das Verhältnis aus aufgebrachter Aushärtungsmittelmenge und in der Variante c1) zur beschichteten Fläche oder in der Variante c2) zum ausgebrachten Beschichtungsmittelvolumen konstant ist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahren zur Beschichtung dreidimensionaler Automobil- oder Flugzeugteile.
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Das hochwertige und funktionale Beschichten dreidimensionaler Objekte stellt auch heutzutage immer noch eine große Herausforderung dar. Zwar haben die industriellen Beschichtungssysteme und -verfahren in den letzten Jahren eine deutliche Steigerung in ihrer Funktionalität und Anwendungsbreite erfahren, dennoch ist das Ausbilden hochgenauer funktionaler Oberflächen auf nicht flächigen Werkstücken immer noch herausfordernd. Letzteres liegt zum einen an den komplexen und sich im Beschichtungsprozess ändernden, geometrischen Verhältnissen zwischen Werkstück und Beschichtungssystem und zum Anderen an der Tatsache, dass üblicherweise mehrere Beschichtungs- oder Behandlungsschritte zur Ausbildung einer wirklich funktionalen Oberfläche vonnöten sind. Die Werkstücke müssen also in mehrfacher Hinsicht ortsgenau behandelt werden, wobei sich ungeplante Abweichungen üblicherweise addieren und von optisch wahrnehmbaren, fehlerhaften Oberflächenstrukturen bis hin zu einem Verlust der Funktionalität führen. Diese Fehler treten umso häufiger auf, je komplexer sich die Oberflächenstrukturen der Werkstücke gestalten. Zudem sind in diesen Ausgestaltungen die Auswirkungen auf die Funktionalität umso drastischer, da aufgrund der inhomogenen Beschichtungssituation sich ortsbezogen deutlich größere quantitative Abweichungen von der erforderlichen Sollbeschichtung einstellen. Eine solche Situation liegt üblicherweise bei dreidimensionalen Werkstücken vor, welche keine planare, sondern eine in ein oder mehrere Richtungen gekrümmte oder eine mit Höhen und Senken versehene, unebene Oberfläche aufweisen. Eine ortsgenaue und reproduzierbare weitere Funktionalisierung dieser Oberflächen, entweder in mehreren Verfahrensschritten oder unter Anwendung mehrerer Mittel, ist auch heutzutage immer noch alles andere als trivial.
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Auch in der Patentliteratur finden sich die unterschiedlichsten Lösungen zur Beschichtung dreidimensionaler Werkstückoberflächen.
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So offenbart beispielsweise die
EP 2 838 708 B 1 ein Verfahren für den direkten dreidimensionalen Druck auf einen Fußbekleidungsartikel, welches Folgendes umfasst: entwerfen eines dreidimensionalen Musters für den Druck auf den Artikel; positionieren von mindestens einem Abschnitt des Artikels auf einer Ablage in einem dreidimensionalen Drucksystem, wobei der Abschnitt ein Gewebematerial umfasst und im Wesentlichen flach auf der Ablage positioniert wird; drucken eines dreidimensionalen Materials direkt auf das Gewebe des Artikelabschnitts unter Verwendung des entworfenen dreidimensionalen Musters und des dreidimensionalen Drucksystems; härten des gedruckten Materials; und entfernen des Artikelabschnitts aus dem dreidimensionalen Drucksystem; wobei der Artikelabschnitt mindestens eine nichtflache Oberfläche aufweist, die eine unregelmäßige Oberflächen-Topologie hat und wobei die mindestens eine nichtflache Oberfläche ein Substrat ist, auf dem das Drucken stattfindet und wobei das Drucken des dreidimensionalen Materials die Kompensation jeglicher Unregelmäßigkeiten der mindestens einen nicht flachen Oberfläche umfasst, indem der Abstand zwischen einem Druckkopf und der mindestens einen nichtflachen Oberfläche eingestellt wird, und/oder indem mindestens einer der Folgenden: Größe, Durchsatz und Verteilung von Material, das aus dem Druckkopf abgegeben wird, eingestellt wird.
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In der
DE10 2018 121 557 A1 ist ein Verfahren zum verzerrungsfreien Beschichten von Werkstücken mit bidirektional gekrümmten Oberflächen offenbart. Im Verfahren wird auf Basis bereitgestellter digitaler 2D-Dekordaten und digitaler 3D-Oberflächenprofildaten eines zu beschichtenden Werkstücks die Werkstückoberfläche in Rasterflächen aufgeteilt; die Werkstückoberfläche in eine oder mehrere Verfahrbahnen eines Beschichtungskopfes aufgeteilt; die Rasterflächen entlang des Normalenvektors der Verfahrbahn an die DruckkopfVerfahrbahn projiziert; die Pixeldichte des Dekors für jede Rasterfläche als Funktion der Ergebnisse der Rasterprojektion angepasst und die Werkstückoberfläche auf Basis der angepassten Dekor-Druckdaten beschichtet.
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Trotz der schon bekannten Verfahren zum Beschichten dreidimensionaler Oberflächen besteht weiterhin Bedarf an technischen Lösungen, welche unterschiedlichste, komplexe dreidimensionale Oberflächengeometrien über ortsaufgelöste Beschichtungsverfahren mit präzisen Beschichtungen versehen und insbesondere eine verbesserte Aushärtung der aufgebrachten Beschichtung gewährleisten können.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, welches hoch reproduzierbar Dekore und funktionale Beschichtungen auf komplexe dreidimensionale Oberflächen aufbringt und welches insbesondere den anschließenden Härtungsprozess der Beschichtung sehr kontrolliert und reproduzierbar durchführt. Es ist weiterhin die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein System zur Durchführung des Verfahrens und eine Verwendung für das erfindungsgemäße Verfahren im Bereich der Beschichtung dreidimensionaler Automobil- oder Flugzeugteile bereitzustellen.
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Gelöst wird die Aufgabe für das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1, für das System durch die Merkmale des Anspruchs 11 und für die erfindungsgemäße Verwendung durch die Merkmale des Anspruchs 15. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und der Verwendung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Beschichtung dreidimensionaler Werkstückoberflächen, wobei das Verfahren mindestens die Verfahrensschritte umfasst:
- a) Bereitstellen eines Werkstücks mit einem dreidimensionalen Oberflächenprofil;
- b) Festlegen einer Soll-Bewegungsbahn eines Beschichtungswerkzeuges durch die Aneinanderreihung dreidimensionaler Bahnpunkte und Abfahren der Beschichtungsbahn über eine Relativbewegung zwischen Beschichtungswerkzeug und Werkstückoberfläche unter Aufbringen einer aushärtbaren Beschichtungsflüssigkeit auf zumindest einen Oberflächenbereich des Werkstücks, wobei das Aufbringen der Beschichtungsflüssigkeit auf einen spezifischen Oberflächenbereich der Werkstückoberfläche unter einem ortssensitiven Ausstoß des Beschichtungsmittels von einem Bahnpunkt auf der Bewegungsbahn des Beschichtungswerkzeuges erfolgt;
- c) Festlegen einer Soll-Bewegungsbahn eines Aushärtungswerkzeuges durch die Aneinanderreihung dreidimensionaler Bahnpunkte und Abfahren der Aushärtungsbahn über eine Relativbewegung zwischen Aushärtungswerkzeug und Werkstückoberfläche unter ortssensitiven Aufbringen eines Aushärtungsmittels auf zumindest einen Teilbereich der im Schritt b) beschichteten Werkstückoberfläche, wobei die ortssensitiv aufgebrachte Menge an Aushärtungsmittel zumindest in den im Verfahrensschritt b) beschichteten Oberflächenbereichen der dreidimensionalen Werkstückoberfläche derart gesteuert wird, dass in jedem beschichteten Oberflächenbereich das Verhältnis aus aufgebrachter Aushärtungsmittelmenge und
- c1) beschichteter Fläche oder
- c2) ausgebrachtem Beschichtungsmittelvolumen konstant ist.
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Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Vielzahl unterschiedlich ausgestalteter Oberflächen sehr reproduzierbar beschichten lassen. Dies ist insofern überraschend, da im Gegensatz zur Beschichtung zweidimensionaler Objekte, die Beschichtung dreidimensionaler Objekte aufgrund der variierenden geometrischen Verhältnisse deutlich herausfordernd ist. Im Falle einer Beschichtung beispielsweise von Papier in einem Drucker, sind die Abstände des Druckkopf zum zu beschichtenden Papier konstant und insofern kann dieser Beschichtungsprozess sehr reproduzierbar gesteuert werden. Auch ändert sich in diesen Fällen die Ausrichtung eines üblicherweise planaren Druckkopfs zum planaren Papier nicht. Im Falle der Beschichtung rigider und nicht Flüssigkeiten aufnehmender Substrate wie beispielsweise Kunststoffe, kommt zum Beschichtungsprozess häufig ein zusätzlicher Härtungsprozess hinzu bzw. folgt dem eigentlichen Beschichtungsprozess. Hintergrund ist die Notwendigkeit, das Verlaufen des auftreffenden Beschichtungsmittels gezielt zu steuern und zu kontrollieren, um eine gewünschte Farbwirkung oder Funktion der Beschichtung ortsgenau zu gewährleisten. Auf planaren Substraten ist dieser zusätzliche Prozess leicht auf den Beschichtungsprozess abzustimmen, da die Geometrie des Substrates nur einen geringen Einfluss auf beide Prozesse ausübt. Im Falle dreidimensionaler Objekte, welche beispielsweise Krümmungen in einer oder mehrerer Dimensionen oder auch unregelmäßig geformte Oberflächen mit Höhen und Senken aufweisen, ist ein gleichmäßiges Beschichtungsergebnis bereits deutlich schwieriger zu erreichen, da die Ausrichtung des Druckkopfs zu den jeweiligen auf der Oberfläche zu bedruckenden Punkten stark variiert. Im vorliegenden Fall des Druckes auf rigide Substrate wurde zudem gefunden, dass es nicht ausreichend ist, dass das Beschichtungsmittel alleine homogenen oder angepasst gleichmäßig auf die Oberfläche des Werkstücks gegeben wird. Zum Erhalt einer qualitativ hochwertigen Beschichtung muss das aufgebrachte Beschichtungsmittel innerhalb eines zweiten Prozessschritts ebenso gleichmäßig, mit der richtigen Menge, am richtigen Orte fixiert und hierbei für eine optisch und/oder funktional hochwertige Beschichtung sowohl der Einfluss der Geometrie auf das Beschichtungsergebnis als auch auf die Fixierung beachtet werden. Ist die zur Fixierung verwendete Menge entweder zu klein oder zu groß, so ergeben sich Abweichungen im gewünschten qualitativen Ergebnis. Der hier vorgestellte Prozess unterscheidet sich insofern deutlich von den üblicherweise verwendeten Verfahren, welche beispielsweise das Aushärten oder die Fixierung über das Ausbringen oder die Applikation einer ortsunabhängigen Menge an Aushärtungsmitteln regeln. Als ein Beispiel des Standes der Technik kann dabei das Aushärten einer aufgebrachten Beschichtung über das großflächige Applizieren von UV-Licht dienen. Die auf die jeweiligen Oberflächenelemente auftreffenden Lichtmengen sind nicht mit den Oberflächen- oder den Beschichtungseigenschaften des Werkstückes verknüpft und so ist es die Regel, dass auf bestimmten Oberflächenpunkten deutlich mehr Licht auftrifft als zur Aushärtung oder Fixierung nötig ist. In anderen Oberflächenbereichen kann hingegen die auftreffende Menge zu gering sein, so dass nur eine unvollständige oder aber verzögerte Aushärtung der eigentlichen Beschichtung erreicht wird. Nur aus der Kombination eines gesteuert ortsabhängigen Aufbringens von Beschichtungsmittel und eines gesteuert ortsabhängigen Aufbringens von Aushärtungsmitteln, kann insbesondere für schwierige Geometrien eine hinreichend funktionale und auch optisch ansprechende Beschichtung erreicht werden.
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Das erfindungsgemäßen Verfahren ist ein Verfahren zur Beschichtung dreidimensionaler Werkstückoberflächen. 3D-Werkstücke sind Werkstücke, welche zumindest abschnittweise eine nicht planare Oberfläche aufweisen. Sie stellen insbesondere nicht nur rein planare 2D-Gebilde dar, sondern können beispielsweise Ausnehmungen in der Fläche und/oder Kanten aufweisen, an denen ebenfalls zu beschichten ist. Die Ausnehmungen und Kanten ergeben einen Höhenversatz und wechselnde Steigungen in der Oberfläche. Zusätzlich oder alternativ können die Werkstückoberfläche auch Höhenunterschiede und Unterschiede in der Steigung der Oberfläche selbst aufweisen, wobei die Ortsposition dieser Höhenunterschiede dann von weiterer Werkstückoberfläche umgeben ist. Bedingt durch die Höhenunterschiede und aufgrund der Oberflächensteigung kann das Werkstück abschnittsweise gekrümmt sein. Die Werkstückoberfläche wird dabei mittels eines Beschichtungsverfahrens, beispielsweise einem Inkjet-Verfahren, beschichtet. Die Grundverfahren als solche sind aus dem Stand der Technik bekannt und können beinhalten, dass aus einer Düse unter Druck ein Beschichtungsmittel ausgestoßen wird. Als Funktion des Beschichtungsmittels können sich unterschiedliche Arten von Beschichtungen ergeben. Handelt es sich bei dem Beschichtungsmittel um eine Farbe, so können dekorative Beschichtungen erhalten werden. Es können aber auch Beschichtungsmittel mit anderen Funktionen verwendet werden, wobei sich dann dementsprechend keine dekorativen, sondern funktionale Beschichtungen ergeben. So können beispielsweise über eine Inkjet-Beschichtung leitfähige Strukturen auf Oberflächen aufgedruckt werden. Weiterhin kann das Beschichtungsmittel mit dem Oberflächenmaterial eine Verbindung eingehen oder sich besonders gut wieder von diesem lösen lassen, bzw. die Anhaftung weiterer Schichten durch weitere Beschichtungsverfahren, wie dem Lackieren, partiell fördern und/oder vermeiden. Die Beschichtung erfolgt dabei mittels eines Druckkopfes, wobei der Druckkopf mehrere Düsen aufweisen kann. Üblicherweise können die Druckköpfe mehrere, einzeln steuerbare Düsen aufweisen, wobei die Düsen üblicherweise in Reihen einer Matrix angeordnet sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst den Verfahrensschritt a), in welchem ein Werkstück mit einem dreidimensionalen Oberflächenprofil bereitgestellt wird. Die Werkstücke weisen eine dreidimensionale Oberfläche auf und liegen insofern nicht planar, beispielsweise in Form einer ebenen Fläche oder Schicht, vor. Das Bereitstellen der Werkstücke kann beispielsweise darin bestehen, dass die Werkstücke an einem Träger, einem Band oder händisch bereitgestellt werden. Es ist auch möglich, dass die Werkstücke an einem Roboterarm montiert werden, wobei der Roboterarm dann die Bewegung des Werkstücks relativ zum Beschichtungswerkzeug ermöglicht. Mögliche einsetzbare Werkstücke sind beispielsweise Karosserieteile von Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen oder beispielsweise auch Interieurteile von Kraftfahrzeugen oder beispielsweise Schienenfahrzeugen. Es ist aber auch möglich, andere dreidimensionale Objekte wie beispielsweise Vasen oder Töpfe mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu Beschichten.
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Im Verfahrensschritt b) erfolgt das Festlegen einer Soll-Bewegungsbahn eines Beschichtungswerkzeuges durch die Aneinanderreihung dreidimensionaler Bahnpunkte und Abfahren der Beschichtungsbahn über eine Relativbewegung zwischen Beschichtungswerkzeug und Werkstückoberfläche unter Aufbringen einer aushärtbaren Beschichtungsflüssigkeit auf zumindest einen Oberflächenbereich des Werkstücks, wobei das Aufbringen der Beschichtungsflüssigkeit auf einen spezifischen Oberflächenbereich der Werkstückoberfläche unter einem ortssensitiven Ausstoß des Beschichtungsmittels von einem Bahnpunkt auf der Bewegungsbahn des Beschichtungswerkzeuges erfolgt. Im Vorfeld des eigentlichen Beschichtungsprozesses wird also eine Bewegungsbahn festgelegt, welche die zeitlich und örtliche Abfolge der einzelnen Bahnpunkte des Beschichtungswerkzeuges beinhält. In dem Fall, indem das Beschichtungswerkzeug eine fixe Position einnimmt und das Werkstück relativ zum Beschichtungswerkzeug bewegt wird, ergibt sich die Bewegungsbahn natürlich durch die Bewegung des Werkstücks. Wichtig ist, dass die Relativbewegung zwischen Beschichtungswerkzeug und Werkstückoberfläche vor dem eigentlichen Beschichtungsprozess definiert sind. Die einzelnen Bahnpunkte können beispielsweise rechnergestützt erzeugt werden. Die Bahndaten können dann anschließend in die Steuerung eines Roboters zur Bewegung des Beschichtungswerkzeuges oder des Werkstückes einfließen. Das Beschichtungswerkzeug kann jede Art von Werkzeug sein, welches in der Lage ist, ortsabhängig eine gewisse und definierte Menge an Beschichtungsflüssigkeit abzugeben. Ein Beispiel für ein Beschichtungswerkzeug ist ein Inkjet-Druckkopf. Beim Abfahren der vorbestimmten Soll-Bewegungsbahn gibt das Beschichtungswerkzeug die Beschichtungsflüssigkeit ab, so dass als Funktion der Relation zwischen Beschichtungswerkzeug und Werkstückoberfläche eine definierte Menge an Beschichtungsflüssigkeit auf einen definierten Oberflächenbereich des Werkstücks auftrifft. Es ist dabei nicht nötig, dass die gesamte Oberfläche des Werkstücks mit einer Beschichtung versehen sein muss. Es ist auch vorstellbar, dass nur bestimmte Bereiche der Oberfläche des Werkstücks mit einer Beschichtungsflüssigkeit versehen werden. Die Relationen zwischen dem Auftreffpunkt der Beschichtungsflüssigkeit auf der Werkstückoberfläche und dem Bahnpunkt des Beschichtungswerkzeuges zur Abgabe der entsprechenden Menge für diesen Oberflächenpunkt, lässt sich anhand geometrischer Überlegungen, wie beispielsweise Abstand des Beschichtungswerkzeugs zur Oberfläche, relative Ausrichtung der eigentlichen Abgabevorrichtung zur Oberfläche und Geschwindigkeit des Beschichtungswerkzeuges bestimmen. Mittels dieses Verfahrensschrittes lässt sich also eine genau bestimmte Menge an Beschichtungsflüssigkeit auf einen genau festgelegten Ort auf der Oberfläche des Werkstückes applizieren. Mögliche Beschichtungsflüssigkeiten sind beispielsweise Farben oder Lacke oder aber auch andere Flüssigkeiten, welche der Oberfläche weitere Funktionen verleihen können. So ist es beispielsweise möglich, dass als Beschichtungsflüssigkeit eine Dispersion metallischer Teilchen in einer Flüssigkeit verwendet wird. Über diese Beschichtungsflüssigkeit lassen sich beispielsweise Strukturen elektrischer Leiter auf der Oberfläche des Werkstückes aufbringen. Die Beschichtungsflüssigkeit ist dazu ausgelegt, dass diese nach dem Beschichtungsvorgang auf der Oberfläche des Werkstücks, zumindest in Teilen, verbleibt. Die Beschichtungsflüssigkeit ist eine aushärtbare Beschichtungsflüssigkeit im Sinne der Erfindung, wenn die Beschichtungsflüssigkeit dazu eingerichtet ist durch einen weiteren physikalischen oder chemischen Impuls ihre Eigenschaften so zu ändern, dass eine stärkere Eigenhaftung auf der Werkstückoberfläche erreicht wird. Mögliche aushärtbare Beschichtungsflüssigkeit enthalten beispielsweise Vernetzungsmittel, welche als Funktion der Zeit oder durch Einsatz eines chemischen Vernetzers oder beispielsweise lichtinduziert, eine Polymerisation des Vernetzungsmittels ermöglichen. Im Zuge der Vernetzung des Vernetzungsmittels werden in der Regel höhermolekulare Verbindungen gebildet, welche eine stärkere Eigenhaftung der Beschichtungsflüssigkeit auf der Oberfläche des Werkstücks ermöglichen.
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Im Verfahrensschritt c) erfolgt das Festlegen einer Soll-Bewegungsbahn eines Aushärtungswerkzeuges durch die Aneinanderreihung dreidimensionaler Bahnpunkte und Abfahren der Aushärtungsbahn über eine Relativbewegung zwischen Aushärtungswerkzeug und Werkstückoberfläche unter ortssensitiven Aufbringen eines Aushärtungsmittels auf zumindest einen Teilbereich der im Schritt b) beschichteten Werkstückoberfläche. Zum Erhalt der endgültigen Beschichtung der Werkstückoberfläche ist es also nicht ausreichend, dass nur das Beschichtungsmittel auf die Werkstückoberfläche ausgebracht wird. Erst durch den zweiten Schritt, die Fixierung des Beschichtungsmittels durch das Aufbringen eines Aushärtungsmittels, führt zu den gewünschten Eigenschaften der Beschichtung. Das Aushärtungswerkzeug ist insofern ein anderes Werkzeug als das Beschichtungswerkzeug. Es handelt sich um zwei physikalisch voneinander getrennte Einheiten. Auch für das Aushärtungswerkzeug wird eine Bewegungsbahn festgelegt, welche zur Steuerung der Aktoren, entweder des Werkstücks oder aber des Aushärtungswerkzeuges, dient. Das Aushärtungswerkzeug bringt dabei das Aushärtungsmittel nicht willkürlich, sondern in einer spezifischen Menge an einen spezifischen Oberflächenpunkt der Werkstückoberfläche auf. Mögliche Aushärtungsmittel können beispielsweise in Form von Flüssigkeiten, Feststoffen oder aber auch in physikalischer Form, beispielsweise als Wärmeenergie oder Lichtenergie, auf spezifische Oberflächenpunkte der Werkstückoberfläche aufgebracht werden. Durch das Aufbringen des Aushärtungsmittels wird für die Beschichtung eine Änderung der Eigenschaften induziert, so dass eine verbesserte Anhaftung der Beschichtung auf der Werkstückoberfläche erreicht wird. Dabei wird das Aushärtungsmittel zumindest auf die Oberflächenbereiche aufgebracht, welche zuvor mit einem Beschichtungsmittel versehen wurden.
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Die ortssensitiv aufgebrachte Menge an Aushärtungsmittel wird zumindest in den im Verfahrensschritt b) beschichteten Oberflächenbereichen der dreidimensionalen Werkstückoberfläche derart gesteuert, dass in jedem beschichteten Oberflächenbereich das Verhältnis aus aufgebrachter Aushärtungsmittelmenge und in der Variante c1) beschichteter Fläche oder in der Variante c2) ausgebrachtem Beschichtungsmittelvolumen konstant ist. Zur Steuerung der aufgebrachten Menge an Aushärtungsmittel ergeben sich insofern zwei unterschiedliche Varianten. Zum einen kann eine Menge an Aushärtungsmittel ausgebracht werden, welche im betrachteten Flächenbereich direkt proportional zur insgesamt mit Beschichtungsmittel beschichteten Fläche ist. Diese Variante kann sich für die Fälle anbieten, in denen einen Oberflächenbereich möglichst gleichmäßig mit einem Beschichtungsmittel versehen wurde. Es ist aber auch möglich, dass die Steuerung der Menge an Aushärtungsmittel so erfolgt, dass die Menge direkt proportional zum ausgebrachten Beschichtungsmittelvolumen im betrachteten Oberflächenbereich ist. In diesem Fall ergibt sich eine direkte Kopplung der ortssensitiv aufgebrachten Auftragsmengen, einmal das Beschichtungsmittel und einmal das Aushärtungsmittel, in den beiden Verfahrensschritten. Zur Berechnung der jeweiligen Verhältnisse können beispielsweise einzelne, beschichtete Oberflächenbereiche der Werkstückoberfläche betrachtet werden. Zweckmäßigerweise können die Oberflächenbereiche eine Ausdehnung von größer oder gleich 1 cm2 aufweisen. In diesen Oberflächenbereichen wird dann jeweils das Verhältnis aus Menge an Beschichtungsmittelvolumen und aufgebrachtem Aushärtungsmittel bestimmt. Das Verhältnis wird als konstant angesehen, wenn über die gesamte beschichtete Fläche der Quotient kleiner oder gleich 5 % abweicht. Bezüglich der Varianten c1) und c2) hat es sich überraschenderweise herausgestellt, dass die unterschiedlichen Vorgehensweisen sich für sehr spezifische Anwendungsfälle auf nicht absorbierenden Oberflächen als vorteilhaft erweisen. Falls das ausgebrachte Aushärtungsmittel bezogen auf die beschichtete Fläche in konstanter Menge ausgebracht wird, werden im Gesamtprozess besonders homogene Oberflächenbeschichtungen und Oberflächen erreicht. Diese sind häufig bei einer optischen Funktion des Beschichtungsmittels vorteilhaft und zeigen diese Eigenschaften, falls nach Abschluss und Aushärtung der Beschichtung ein weiteres Beschichtungsmittel aufgebracht wird. Die Variante c2) hingegen bewirkt vor allem bei der Funktionalität eines Beschichtungsmittels, wie beispielsweise Schutzfunktionen von Lacken, eine verbesserte Homogenität und eignet sich daher besonders, wenn das Beschichtungsmittel einen essentiellen Bestandteil der funktionalen Eigenschaften des Werkstückes darstellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann die im Verfahrensschritt c) abgegebene Menge an Aushärtungsmittel an den Bahnpunkten der Aushärtungsbahn über die Distanz zwischen Aushärtungswerkzeug und dem entsprechenden Oberflächenbereich auf der beschichteten Werkstückoberfläche gesteuert werden. Zur besonders reproduzierbaren Steuerung der Abgabemenge an Aushärtungsmittel hat sich als besonders geeignet herausgestellt, dass die ausgegebene Menge an Aushärtungsmittel über den Abstand zwischen Aushärtungswerkzeug und Werkstückoberfläche erfolgt. Prinzipiell möglich wäre auch eine direkte Beeinflussung der Ausgabemenge über beispielsweise die Steuerung der Lichtintensität einer UV-Lampe oder durch eine Steuerung der Ausgabemenge einer Aushärtungsflüssigkeit aus einer Düse. Durch die Änderung der Höhe des Aushärtungswerkzeugs kann insbesondere die mit dem Aushärtungsmittel überstrichene Fläche variiert werden, so dass vorteilhafterweise ohne die Änderung der Menge des Aushärtungsmittels an der Einheit als solche, eine unterschiedliche Flächendichte erreicht werden kann. Insbesondere diese Verfahrensführung kann dazu beitragen, dass Abweichungen der Soll- von den Ist-Bahnen zu einem geringeren Fehler führen.
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Innerhalb einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann die im Verfahrensschritt c) abgegebene Menge an Aushärtungsmittel an den einzelnen Bahnpunkten der Aushärtungsbahn über eine Änderung der abgegebenen Mengen an Aushärtungsmittel gesteuert werden. Um einen möglichst einfachen Aufbau des Systems zu erhalten, hat sich als geeignet herausgestellt, dass eine Adaption der Aushärtungsmittelmenge an die beschichtete Oberfläche oder an das benutzte Volumen an Beschichtungsmittel, über eine Steuerung der ortssensitiv aufgebrachte Menge an Aushärtungsmittel erfolgt. So kann beispielsweise in den Fällen, in denen das Aushärtungsmittel eine energetische Strahlung, beispielsweise in Form von Licht oder Röntgenstrahlung, ist, die Intensität der ausgebrachten Lichtmenge direkt gesteuert werden. In diesen Fällen kann die Lichtquelle beispielsweise in einem fixen Abstand und Position zum Beschichtungswerkzeug angebracht sein. Durch die ortsgenaue Variation der Intensität der Lichtquelle können die beiden unterschiedlich geforderten Randbedingungen bezüglich der ausgebrachten Menge an Beschichtungsmittel eingehalten werden.
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Innerhalb eines weiter bevorzugten Aspektes des Verfahrens kann die im Verfahrensschritt c) abgegebene Menge an Aushärtungsmittel an den einzelnen Bahnpunkten der Aushärtungsbahn in Abhängigkeit der Winkelausrichtung der Winkelnormalen des Aushärtungswerkzeugs und den entsprechenden Normalenvektoren auf der beschichteten Werkstückoberfläche angepasst werden. Insbesondere zur homogenen und qualitativ hochwertigen Beschichtung von Werkstückoberflächen hat sich als besonders geeignet herausgestellt, dass neben der Definition der eigentlichen Menge an Aushärtungsmittel auch die geometrische Beziehung zwischen Aushärtungswerkzeug und entsprechenden Oberflächenpunkt an der Werkstückoberfläche mitberücksichtigt wird. Überraschenderweise hat sich dabei gezeigt, dass eine Anpassung des Aushärtungsmittels über die angegebene geometrische Relationen zu einer deutlich verbesserten Qualität des Aushärtungsergebnisses führt. Zwar sind im Bereich der Beschichtung auch Verfahrensschritte bekannt, welche geometrische Beziehungen zwischen Beschichtungswerkzeug und Oberfläche beinhalten, dass aber auch das Aushärtungsmittelergebnis über eine solche Relation verbessert werden kann ist überraschend. Während im Bereich der Beschichtungsflüssigkeiten als Funktion der Winkelausrichtung unterschiedliche Auftreffpunkte und Ausbreitungsformen angenommen werden können, sollten beispielsweise im Bereich der Aushärtung durch Lichtenergie diese Relationen keine Rolle spielen. Letzteres hat sich aber nicht bewahrheitet, so dass eine Adaption der ausgebrachten Mengen an Aushärtungsmittel über diese Anpassung zu verbesserten Eigenschaften der Oberfläche beitragen können. Die Winkelnormalen der Oberfläche können beispielsweise durch das Anlegen eines Rasters aus äquidistanten Linien in X- und Y-Richtung erfolgen. Zweckmäßigerweise können die Raster eine Fläche von 1 cm2, des Weiteren bevorzugt von 5 mm2 und weiterhin bevorzugt von 1 mm2 aufweisen. Die Winkelnormalen des Aushärtungswerkzeugs ergibt sich aus einem senkrechten Vektor, welcher auf der planaren Ebene des Aushärtungswerkzeugs im Mittelpunkt der Ausbringfläche des Aushärtungsmittels steht. Ist die Fläche des Aushärtungswerkzeugs nicht planar, so können mehrere unterschiedliche Normalenvektoren angenommen und jeweils die einzelnen Relationen der Vektoren in Bezug auf die Auftreffpunkte auf der Oberfläche berücksichtigt werden. Gegebenenfalls kann auch die Oberfläche des Aushärtungswerkzeuges mit einem Raster versehen werden. Auch hier kann die Größe der Rasterflächen im Bereich der oben angegebenen Flächen liegen. Dieses Verfahren kann insbesondere bei stark einfach oder doppelt gekrümmten Oberflächen und auch bei Oberflächen mit sehr großen Unterschieden in den Höhen und den Senken vorteilhaft sein.
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Nach einer bevorzugten Charakteristik des Verfahrens kann die im Verfahrensschritt c) abgegebene Menge an Aushärtungsmittel an den einzelnen Bahnpunkten der Aushärtungsbahn in Abhängigkeit der Winkelausrichtung der Winkelnormalen des Beschichtungswerkzeugs und den entsprechenden Normalenvektoren auf der beschichteten Werkstückoberfläche angepasst werden. Des Weiteren hat sich als sehr vorteilhaft herausgestellt, dass die ausgebrachte Menge an Aushärtungsmittel auf die geometrische Beziehung zwischen Beschichtungswerkzeug und Oberfläche angepasst wird. Diese Verfahrensvariante kann insbesondere dazu beitragen, dass Abweichungen in der gewünschten Beschichtung, welche auf der geometrischen Beziehung zwischen Beschichtungswerkzeug und entsprechenden Oberflächenpunkt beruhen, durch eine angepasste Menge an Aushärtung an diesen Oberflächenpunkt ausgeglichen werden. Ebenfalls können dadurch geometrische Abweichungen zwischen dem Beschichtungs- und dem Härtungswerkzeug berücksichtigt werden.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann im Verfahrensschritt b) die Ist-Geschwindigkeit des Beschichtungswerkzeuges an den einzelnen Bahnpunkten der Beschichtungsbahn erfasst werden und die im Verfahrensschritt c) abgegebene Menge an Aushärtungsmittel an den einzelnen Bahnpunkten der Aushärtungsbahn zusätzlich in Abhängigkeit des Unterschiedes von der Soll- zur Ist-Geschwindigkeit an den Bahnpunkten der Beschichtungsbahn entsprechenden Werkstückoberflächenbereichen angepasst werden. Neben der Berücksichtigung der aufgebrachten Menge an Beschichtungsflüssigkeit, kann es für die Qualität der erhältlichen Oberflächenbeschichtung günstig sein, dass die Menge an Aushärtungsmittel zusätzlich auf die tatsächlichen Ist-Geschwindigkeit des Beschichtungswerkzeuges angepasst werden. Die Planung der Bahn zwischen Beschichtungswerkzeug und Werkstückoberfläche kann als eine Komponente die Geschwindigkeit zwischen Werkstückoberfläche und Beschichtungswerkzeug beinhalten. Diese Geschwindigkeit kann aufgrund der Trägheit der Aktoren, beispielsweise der Roboterarme, in bestimmten Bereichen, wie beispielsweise Umkehrpunkten, stark von der geplanten Geschwindigkeit abweichen. Neben einer Vielzahl weiterer möglicher Abweichung hat sich dieser Parameter für gleichmäßige Beschichtungs- und Härtungsprozesse als besonders kritisch herausgestellt. Durch eine Adaption des Aushärtungsmittels als Funktion dieses Parameter im Beschichtungsschritt, kann eine deutlich verbesserte Oberflächenbeschichtung des Werkstücks erreicht werden. Dieser Parameter ist dabei überraschenderweise deutlich wichtiger, als beispielsweise die Soll-Ist-Abweichungen im Bereich der Höhe oder insgesamt als die Abweichungen im Bereich der dreidimensionalen Positionen von Werkstückoberfläche und Beschichtungswerkzeug.
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Innerhalb eines bevorzugten Aspektes des Verfahrens kann im Verfahrensschritt c) die Winkelausrichtung des Aushärtungswerkzeuges in den einzelnen Bahnpunkten der Aushärtungsbahn variiert werden, wobei die Abweichung in der Ausrichtung der Winkelnormalen des Aushärtungswerkzeuges entlang der Aushärtungsbahn und den jeweils entsprechenden Winkelnormalen der an diesem Bahnpunkt auszuhärtenden Oberflächenbereiche kleiner oder gleich 10° beträgt. Zum Erhalt einer möglichst hochwertigen Beschichtung hat sich als besonders geeignet herausgestellt, dass das Aushärtungswerkzeug in der Lage ist, seine Winkelausrichtung zur Oberfläche des Werkstücks zu verändern. Letzteres kann beispielsweise dadurch erreicht werden, indem das Aushärtungswerkzeug um eine oder um zwei Achsen schwenkbar ausgestaltet ist. Durch die Anpassung der Ausrichtung der Normalenvektoren des Aushärtungswerkzeuges und der betrachteten Oberflächenpunkte auf dem Werkstück, kann als Folge eine deutlich gleichmäßigere Aushärtung erreicht werden. Insbesondere im Bereich starker Krümmung der Oberfläche oder bei doppelt gekrümmten Oberflächen lassen sich dadurch deutlich verbesserte Aushärtungsergebnisse erreichen.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann im Verfahrensschritt c) die Festlegung der Soll-Bewegungsbahn des Aushärtungswerkzeuges derart erfolgen, dass maximal 10% der beschichteten Werkstückoberfläche zweimal mit Aushärtungsmittel belegt werden. Zur Durchführung eines reproduzierbaren und schnellen Aushärtungsschritts hat sich als günstig erwiesen, dass die Bahnplanung im Bereich der Aushärtung derart erfolgt, dass ein mehrmaliges Überstreichen von Flächenbereichen auf der beschichteten Werkstückoberfläche vermieden wird. Während ein zweifaches Überstreichen insbesondere im Bereich von Kanten oder stark variierender Oberflächenhöhen gewollt sein kann, ist ein darüber hinausgehendes Aushärten durch mehrmaliges Abfahren sowohl aus der zeitlichen Perspektive wie auch im Bereich der erreichbaren Oberflächenqualität nachteilig.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann die Soll-Bewegungsbahn des Aushärtungswerkzeuges so festgelegt werden, dass die einzelnen Bahnpunkte der Soll-Bewegungsbahn des Aushärtungswerkzeuges einen Abstand in den Bewegungsbahnen von kleiner oder gleich 30 cm und größer oder gleich 0 cm zu den entsprechenden Bahnpunkten der Soll-Bewegungsbahn des Beschichtungswerkzeuges aufweisen. Zum Erreichen eines möglichst gleichmäßigen Aushärtungsergebnisses hat sich als besonders geeignet herausgestellt, dass der Abstand zwischen Aushärtungswerkzeug und Beschichtungswerkzeug auf den jeweiligen Bahnen bezogen auf denselben Wirk- bzw. Oberflächenort relativ klein gehalten wird und insbesondere mit sinkender Verfahrgeschwindigkeit des Beschichtungswerkzeuges schrumpft. Diese Abstandsbeziehung kann insbesondere dazu beitragen, dass im Bereich des Aushärtungswerkzeuges sehr ähnliche geometrische Abstandsbeziehungen zur Oberfläche vorherrschen wie für die geometrische Beziehung Beschichtungswerkzeug-Oberflächenpunkt. Bevorzugt kann der Abstand kleiner oder gleich 25 cm, des Weiteren kleiner oder gleich 20 cm und weiter bevorzugt kleiner oder gleich 10 cm betragen.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann die Soll-Bewegungsbahn des Aushärtungswerkzeuges so festgelegt werden, dass die einzelnen Bahnpunkte der Soll-Bewegungsbahn des Aushärtungswerkzeuges innerhalb eines vorgegebenen minimalen und eines vorgegebenen maximalen Abstands zur Oberfläche des Werkstückes liegen. Zusätzlich oder alternativ zur Festlegung einer bestimmten Abstandsbeziehung des Aushärtungswerkzeuges zum Beschichtungswerkzeug hat sich als sehr geeignet herausgestellt, dass das Aushärtungswerkzeug innerhalb eines bestimmten Abstandsbereiches zur Oberfläche des Werkstücks gefahren wird. Innerhalb dieses Abstandsbereiches kann das Aushärtungswerkzeug in seiner Höhenkoordinate zur Werkstückoberfläche frei bewegt werden. Wird der Abstand des Aushärtungswerkzeugs zur Oberfläche zu groß, kann dadurch die Ortsauflösung der Aushärtung deutlich leiden. Ist der Abstand des Aushärtungswerkzeugs zur Oberfläche zu gering, ist in der Regel die Intensität des Aushärtungsmittels an dieser Stelle zu groß, so dass eine feine Justage der Menge an Aushärtungsmittel verloren geht. Letzteres kann insbesondere auch dazu führen, dass der Aushärtungsprozess zu lange dauert. Geeignete Abstandsbereiche liegen beispielsweise bei größer oder gleich 0,1 cm und kleiner oder gleich 10 cm, des Weiteren bevorzugt bei größer oder gleich 0,5 cm und kleiner oder gleich 5 cm.
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Des Weiteren erfindungsgemäß ist ein System zur Beschichtung dreidimensionaler Werkstückoberflächen, wobei das System dazu eingerichtet ist das erfindungsgemäße Verfahren ausführen. Für das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich insbesondere erfindungsgemäße Systeme, welche eine unabhängige Steuerung des Beschichtungswerkzeugs und des Aushärtungswerkzeuges ermöglichen. Zusätzlich zu einer möglichst unabhängigen Steuerung von Beschichtungswerkzeug und Aushärtungswerkzeuges kann es dabei sinnvoll sein, dass das System weitere Mittel aufweist, welche sowohl die geometrischen Beziehungen zwischen den einzelnen Werkzeugen zueinander als auch die geometrischen Beziehungen der einzelnen Werkzeuge zu den entsprechenden Oberflächenpunkten auf der Werkstückoberfläche messen und steuern können. Diese weiteren Mittel können im Wesentlichen die Qualität der Beschichtungsergebnisse deutlich verbessern. Zu den weiteren Vorteilen des erfindungsgemäßen Systems sei insbesondere auf die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Systems kann das System dazu eingerichtet sein sowohl die Geschwindigkeit, den Abstand und die relative Ausrichtung des Beschichtungswerkzeuges zum entsprechend beschichteten Bereich auf der Werkstückoberfläche als auch die Geschwindigkeit, den Abstand und die relative Ausrichtung des Aushärtungswerkzeuges zum entsprechend ausgehärteten Bereich auf der Werkstückoberfläche zu steuern. Insbesondere die steuerbare Ausführung der beiden einzelnen Werkzeuge in Bezug auf die Ausrichtung und die Lage zueinander wie auch auf die Ausrichtung und Lage der einzelnen Werkzeuge in Bezug auf den zu beschichtenden und auszuhärtenden Oberflächenbereich kann zu einer deutlich verbesserten Qualität der erreichbaren Beschichtung beitragen.
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Innerhalb einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Systems kann das Beschichtungswerkzeug ein Inkjet-Druckkopf mit einem oder mehreren Druckdüsen und das Aushärtungswerkzeug aus der Gruppe bestehend aus Inkjet-Druckkopf, Sprühkopf, elektromagnetischer Strahlungsquelle ausgesucht sein. Die Kombination eines Inkjet-Druckkopf als Beschichtungswerkzeug und die angegebene Gruppe an Aushärtungswerkzeug kann, in den Fällen in dem beide Werkzeuge einzeln und unabhängig voneinander steuerbar sind, zu verbesserten Beschichtungsergebnissen insbesondere für dreidimensional ausgestaltete Werkstückoberflächen beitragen. Es können über diese Kombinationen verbesserte funktionale wie auch optisch homogenere Beschichtungen auch auf stark gekrümmten oder stark inhomogen ausgestalteten Werkstückoberflächen erhalten werden.
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Innerhalb einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Systems kann das Aushärtungswerkzeug unabhängig voneinander ansteuerbare Teilbereiche zum Ausstoß von Aushärtungsmitteln aufweisen und die Anzahl der unabhängigen Teilbereiche größer oder gleich der Anzahl an Druckdüsen des Beschichtungswerkzeuges sein. Für die Beschichtung von Oberflächenbereichen mit starken Krümmung, starken Steigungen oder aber auch stark wechselnden Steigungen hat sich als günstig erwiesen, dass das System ein Aushärtungswerkzeug aufweist, welches unterschiedliche Teilbereiche mit einzelnen, steuerbaren Ausgaben von Aushärtungsmitteln umfasst. Diese Ausgestaltung kann insbesondere im Vergleich zu üblichen Aushärtungswerkzeug vorteilhaft sein, welche nur eine Möglichkeit zum Ausstoß oder zur Abgabe eines Aushärtungsmittels aufweisen.
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Des Weiteren erfindungsgemäß ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Beschichtung dreidimensionaler Automobil- oder Flugzeugteile. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können insbesondere Automobil-Interieur sowie auch-Exterieurteile beschichtet werden. Für die Beschichtung von Werkstücken im Flugzeugbau gilt dies äquivalent. Die Abmessungen der zu beschichtenden Teile und die Krümmungen die diese Teile aufweisen, haben sich für das Verfahren als besonders geeignet erwiesen. Diese Teile können deutlich schneller und verzerrungsfreier beschichtet und ausgehärtet werden, welches zu einer deutlich besseren Ästhetik und zu deutlichen Einsparungen an Zeit und Energie beitragen kann. Des Weiteren kann vorteilhafterweise durch die erfindungsgemäße Verwendung auch eine bessere Überwachung des funktionalen Status einzelner Systemelemente und insbesondere der Aktorik erhalten werden. Durch die genau festgelegten Bahnverläufe und die einzeln steuerbaren Schritte, treten Beschichtungs- und Aushärtungsfehler deutlich weniger auf. Innerhalb einer bevorzugten Ausgestaltung der Verwendung kann die Beschichtung aus der Gruppe der dekorativen, der funktionalen oder Kombinationen beider Beschichtungstypen ausgesucht sein. Die Beschichtung erfolgt dabei in der Regel durch das Aufbringen von Flüssigkeiten auf die Werkstückoberfläche. Bei den Flüssigkeiten kann es sich beispielsweise um Farben, Oberflächenversiegelungssubstanzen oder um andere funktionale Verbindungen handeln, welche der Oberfläche ein anderes ästhetisches oder funktionales Erscheinungsbild verleihen. Die Beschichtung kann beispielsweise mittels eines Inkjet-Verfahrens erfolgen. Mittels der Beschichtung lassen sich Funktionsschichten herstellen, wobei Funktionsschichten zumindest partiell zusammenhängende Bereiche sind, welche auf die Werkstückoberfläche aufgebracht oder aufgedruckt werden. Diese zusammenhängenden Bereiche erfüllen dabei weitergehende funktionale Eigenschaften auf der Werkstückoberfläche. Diese funktionalen Eigenschaften können beispielsweise haptischer oder optischer Art sein. Denkbar sind leuchtende Bereiche oder das Aufbringen von Dekoren. Es sind aber auch funktionale Bereiche oder Schichten denkbar, welche festgelegt elektrische Eigenschaften in Form von Schaltern aufweisen. Des Weiteren können funktionale Schichten auch weitere optische Eigenschaften in Form von leuchtenden Bereichen bereitstellen. Zusätzlich können über die funktionalen Bereiche auch weitere haptische Eigenschaften, wie beispielsweise ein tastbares Relief darstellen. Weiterhin kann das Beschichtungsmittel mit dem Oberflächenmaterial eine Verbindung eingehen, sich besonders gut wieder von diesem lösen lassen, sowie partiell gezielt die Anhaftung weiterer Schichten folgender Veredelungsprozesse fördern und/oder vermeiden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2838708 [0004]
- DE 102018121557 A1 [0005]