DE102022129623A1

DE102022129623A1 - Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs, Werkzeug, Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks, Werkstück

Info

Publication number: DE102022129623A1
Application number: DE102022129623.7A
Authority: DE
Inventors: Dominik Britz; Daniel Wyn Müller; Frank Mücklich; Philipp Grützmacher; Paul Braun; Karsten Durst
Original assignee: Surfunction GmbH
Current assignee: Surfunction GmbH
Priority date: 2022-11-09
Filing date: 2022-11-09
Publication date: 2024-05-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs für die Bearbeitung eines Werkstücks. Ein metallischer Werkzeugrohling wird in einer Laserbearbeitungsvorrichtung bereitgestellt, die den Werkzeugrohling an einer Werkzeugoberfläche mittels Interferenz von mindestens zwei Laserstrahlen strukturiert. Die mindestens zwei Laserstrahlen weisen zumindest zeitweise Pulsdauern von höchstens 15 ps auf und durch die Strukturierung auf der Werkzeugoberfläche wird ein Werkzeugprofil mit mindestens einer Vertiefung erzeugt. Daneben betrifft die Erfindung ein damit strukturiertes Werkzeug, ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels des Werkzeugs sowie ein derart bearbeitetes Werkstück.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs für die Bearbeitung eines Werkstücks sowie ein Werkzeug. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks sowie ein Werkstück.
Die Erfindung befasst sich mit der Aufgabe, ein Werkstück, insbesondere ein metallisches Werkstück wie etwa ein Bauteil, mit einer Topographie im unteren Mikro- und/oder im Nanometerbereich zumindest teilweise zu strukturieren. In dieser Größenordnung sind eine Vielzahl biologischer Oberflächen strukturiert, die jeweils ganz eigene funktionelle Oberflächeneigenschaften hervorbringen, wie z.B. veränderte Benetzung (Lotus, Dornteufel), Farbeffekte (Schuppen der Schmetterlingsflügel), reduzierte Reibung (Haifisch-Haut), reduzierte Anhaftung/aktives Töten von Keimen und Krankheitserregern (Flügel der Zikade und Libelle). Die Topographien in dieser Größenordnung werden daher auch als biomimetische Topographien bezeichnet. Viele dieser Oberflächeneigenschaften werden neben der Topographie der Oberfläche selbst ebenso von der Oberflächenchemie beeinflusst.
Im Rahmen der industriellen Oberflächenstrukturierung von Werkstücken mit Topographien in der genannten Größenordnung ist es derzeit nur möglich, die Werkstücke unmittelbar mittels mindestens zweier miteinander interferierender Laserstrahlen zu bearbeiten. Durch diese im Wesentlichen thermische Bearbeitungsform erfährt die Oberfläche des Werkstücks bei der Bearbeitung neben der topographischen zusätzlich eine chemische Modifikation, die der gewünschten Funktion oder Weiterverarbeitung des Werkstücks entgegen wirken kann. Insofern kann die gewünschte Funktionalisierung der Werkstückoberfläche mittels der direkten Bearbeitung durch die interferierenden Laserstrahlen nicht immer gewährleistet werden, insbesondere im Falle metallischer Werkzeuge, da hier aufgrund der elektromagnetischen Absorptionseigenschaften von Metallen die thermische Wirkung der Laserstrahlung besonders ausgeprägt ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs zu entwickeln, mit dem eine verbesserte Oberflächentopographie des Werkstücks in der industriellen Anwendung herstellbar ist, insbesondere mit dem eine mikro- und/oder nanoskalige topographische Oberflächenfunktionalisierung des Werkstücks realisierbar wird, die erweiterte Gestaltungsmöglichkeiten bei reduzierter thermischer und chemischer Werkstückbeeinflussung im Vergleich zur unmittelbaren Bearbeitung mittels Laserinterferenz ermöglicht. Entsprechendes gilt für das mit dem genannten Verfahren hergestellte Werkzeug, für das mit dem Werkzeug durchgeführte Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks und für das insofern bearbeitete Werkstück selbst.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs für die Bearbeitung eines Werkstücks gemäß Anspruch 1, durch ein Werkzeug gemäß Anspruch 12, durch ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels des Werkzeugs gemäß Anspruch 15 und ein bearbeitetes Werkstück gemäß Anspruch 22.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs für die Bearbeitung eines Werkstücks sieht vor, dass ein metallischer Werkzeugrohling in einer Laserbearbeitungsvorrichtung bereitgestellt wird und die Laserbearbeitungsvorrichtung den Werkzeugrohling an einer Werkzeugoberfläche mittels Interferenz von mindestens zwei Laserstrahlen strukturiert, wobei die mindestens zwei Laserstrahlen zumindest zeitweise Pulsdauern von höchstens 15 ps aufweisen und wobei durch die Strukturierung auf der Werkzeugoberfläche ein Werkzeugprofil mit mindestens einer Vertiefung erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Werkzeug ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren strukturiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Werkzeugs sieht vor, dass das Werkzeug nach dem erfindungsgemäßen Verfahren strukturiert ist, insbesondere dass das Werkzeug ein erfindungsgemäßes Werkzeug ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bearbeitung des Werkstücks sieht weiter vor, dass das Werkstück mittels des Werkzeugs zumindest bereichsweise plastisch verformt wird und dabei mit einem Werkstückprofil versehen wird, das zumindest bereichsweise zu dem Werkzeugprofil korrespondiert. Das erfindungsgemäße Werkstück ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet.
Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass in Abkehr von der bereits bekannten unmittelbaren Strukturierung des Werkstücks mittels der interferierenden Laserstrahlung nunmehr zunächst das Werkzeug durch die beschriebene Strukturierung hergestellt wird und dann, in einem nächsten Schritt, eine Strukturierung des Werkstücks selbst erfolgen kann. Wesentlicher Kern der Erfindung ist, dass eine Wechselwirkung der Laserstrahlung mit der letztendlich zu strukturierenden Werkstückoberfläche vermieden wird, so dass die aus dem Stand der Technik bekannte, nachteilige chemische Modifikation der Werkstückoberfläche ausbleibt, gleichwohl deren gewünschte Funktionalität erhalten bleibt bzw. überhaupt erst gewährleistet werden kann. Die Erfindung erzeugt die Strukturierung der Werkstückoberfläche, insbesondere einer metallischen Substratoberfläche, beispielsweise im unteren Mikro- und/oder Nanometerbereich durch plastische Verformung, welche sich gerade nicht auf die Oberflächenchemie auswirkt. Somit wird lediglich die Topographie des metallischen Substrates modifiziert, ohne die grundlegende chemische Interaktion mit in Kontakt tretenden Stoffen, z.B. Benetzung durch Wasser oder Öle, zu beeinflussen. Die vorliegende Erfindung macht eine bis dato nicht realisierbare rein topographische Oberflächenfunktionalisierung für die industrielle Anwendung zugänglich, die sich insbesondere für eine Weiterverarbeitung der Oberflächen via Galvanisierung, PVD, etc. eignet.
Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass durch die im Rahmen der Erfindung erfolgte, im Wesentlichen plastische Bearbeitung des Werkstücks keine nennenswerte chemische Modifikation des Werkstücks stattfindet, wie sie bislang mit den bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik zwingend einherging. Beispielsweise hat sich nach Studien der Anmelderin gezeigt, dass sich die Benetzungseigenschaften eines erfindungsgemäß bearbeiteten Werkstücks deutlich von den Benetzungseigenschaften eines mittels direkter Laserinterferenzstrukturierung bearbeiteten Werkstücks unterscheiden, was auf die Vermeidung einer chemischen Oberflächenmodifikation im Falle der Erfindung zurückzuführen ist.
Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist, dass durch die Verwendung von miteinander interferierender Laserstrahlen zur Herstellung des Werkzeugs durch dessen Strukturierung eine große Werkzeugoberfläche in kurzer Zeit bearbeitet werden kann, so dass im Ergebnis die Prozesseffizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert ist. Insbesondere kann das Werkzeug in kurzer Bearbeitungszeit mit einer vollflächigen Oberflächenstrukturierung im Mikro- und/oder Nanometerskalenbereich versehen werden, was gegenüber anderer bestehender hochpräziser Bearbeitungsverfahren, wie fokussierter Laser- oder Ionenstrahlung, zu einer deutlich höheren Prozesseffizienz und damit niedrigeren Werkzeugkosten führt. Dieser Vorteil ist insbesondere im Vergleich gegenüber einer Strukturierung des Werkzeugs mit lediglich einem einzigen Laserstrahl ersichtlich, der aufwändig die gesamte zu strukturierende Werkzeugoberfläche entlang gelenkt werden muss, was das Verfahren mühselig und langsam macht.
Weitere Vorteile gegenüber der unmittelbaren Strukturierung der Werkstücke sind zudem insbesondere eine höhere Vielfalt an möglichen Topographiegeometrien der Werkstücke, beispielsweise durch partielles Abformen mit niedrigem Kontaktdruck und Mehrfachprägen mit variabler Strukturierung des Werkzeugs, sowie der niedrigeren Prozesszeit für Strukturen mit hoher Tiefe bzw. Aspektverhältnis. Insbesondere die letztgenannte Strukturform kann bei einem rein ablativen Laserverfahren mitunter zu sehr langen Prozesszeiten führen, während das Prägen diese in einem Hub realisieren kann.
Da die Bearbeitung des Werkstücks durch das strukturierte Werkzeug und nicht mehr wie bei den bekannten Verfahren unmittelbar mittels Laserstrahlung erfolgt, wird auch eine deutliche Verbesserung des Arbeitsschutzes in der industriellen Anwendung erzielt.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Laserpulsen mit einer zeitlichen Pulsdauer von höchstens 15 ps werden thermische Effekte bei der Wechselwirkung zwischen der Laserstrahlung und der Werkzeugoberfläche größtenteils vermieden, was insbesondere die Entstehung von Schmelzen und thermisch induzierten Materialschäden, insbesondere Spannungsrissen, verhindert. Es ist bekannt, dass bei kürzeren Pulsdauern thermische Effekte zunehmend vernachlässigt werden und das Werkzeug zunehmend mechanisch bearbeitet wird. Dieser Effekt wird daher auch als kalte Ablation bezeichnet. Unter diesem Gesichtspunkt kann vorgesehen sein, dass die zeitliche Pulsdauer der Laserstrahlen höchstens 10 ps beträgt, so dass noch weniger thermische Effekte auftreten. Daneben wird die Genauigkeit der Struktur verbessert. Aus dem gleichen Grund ist höchst vorzugsweise vorgesehen, dass die zeitliche Pulsdauer der Laserstrahlung höchstens 1 ps beträgt, wodurch eine noch bessere Oberflächenqualität der Werkzeugstrukturierung erhalten werden kann. Vorzugsweise ist eine zeitliche Pulsdauer zwischen 100 fs und 15 ps, insbesondere zwischen 100 fs und 1 ps vorgesehen. Weiterhin kann die Leistung der Laserstrahlung zwischen 1 W und 500 W betragen und/oder die Energie der Pulse der Laserstrahlung kann zwischen 10 µJ und 100 mJ betragen. Bei der erfindungsgemäßen Erzeugung der Strukturierung können zwischen 10 bis 1000 Einzelpulse in einem räumlichen Bereich überlagert werden, um hohe Strukturaspektverhältnisse durch einen entsprechend hohen Materialabtrag zu erhalten.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass zur Strukturierung des Werkzeugs genau zwei miteinander interferierende Laserstrahlen verwendet werden. Eine Weiterentwicklung der Erfindung sieht vor, dass drei miteinander interferierende Laserstrahlen verwendet werden, wodurch beispielsweise eine Strukturierung des Werkzeugs mit Vertiefungen in einem hexagonalen Muster erzeugbar ist. Die Strukturierung weist in diesem Fall drei Achsen entlang der Oberfläche auf, entlang derer die Vertiefungen jeweils in einer lateralen Periode angeordnet sind, wobei im Sinne der Erfindung bei dem hexagonalen Muster die lateralen Perioden für die drei Achsen jeweils identisch sind. Daneben kann vorgehen sein, dass vier miteinander interferierende Laserstrahlen verwendet werden, um ein quadratisches Muster der Vertiefungen bei der Strukturierung des Werkzeugs zu erzeugen. Schließlich kann vorgesehen sein, dass höchstens neun miteinander interferierende Laserstrahlen verwendet werden.
Das Werkzeug kann ein Stanz- oder Umformwerkzeug sein, wobei entsprechend die Bearbeitung des Werkstücks ein Stanz- oder Umformverfahren, insbesondere ein Prägeverfahren, sein kann.
Vorzugsweise wird die mindestens eine Vertiefung mit einer Abmessung, insbesondere mit einer Tiefe gegenüber einem unstrukturierten Bereich der Werkzeugoberfläche zwischen 10 nm und 50 µm, insbesondere zwischen 100 nm und 15 µm, erzeugt. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Abmessung der Vertiefung deren Länge in x- und/oder y-Richtung entspricht, wobei im Sinne der Erfindung bei mehreren Vertiefungen die y-Richtung der Versatzrichtung der Vertiefungen entspricht, während die x-Richtung senkrecht hierzu angeordnet ist. Die x- und die y-Richtungen stehen jeweils senkrecht zur Normale der Werkzeugoberfläche und erstrecken sich damit jeweils entlang der Werkzeugoberfläche. Als Abmessung kann im Sinne der Erfindung auch eine Kombination der x- und der y-Richtung bezeichnen, die insofern einer allgemein lateralen Richtung entspricht.
Vorzugsweise werden zumindest zwei Vertiefungen mit im Wesentlichen identischen Abmessungen, insbesondere mit im Wesentlichen identischen Tiefen erzeugt. Im Sinne der Erfindung weisen zwei Abmessungen im Wesentlichen identische Abmessungen auf, wenn deren Abweichungen nicht über die in vergleichbaren Verfahren übliche Bearbeitungstoleranz hinausgehen. Mindestens zwei benachbarte Vertiefungen können in einem Abstand von 10 nm bis 50 µm, insbesondere 100 nm bis 15 µm, angeordnet werden. Durch das insofern strukturierte Werkzeug lassen sich auf dem Werkstück Strukturgeometrien in der Größenordnung zwischen 10 nm und 50 µm, insbesondere zwischen 100 nm und 15 µm, in einer industriell relevanten Prozessgeschwindigkeit bei gleichzeitig gewährleisteter Reproduzierbarkeit realisieren.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zumindest eine Gruppe von Vertiefungen in einem periodischen Muster auf der Werkzeugoberfläche erzeugt wird, da diese Struktur besonders einfach mittels der miteinander interferierenden Laserstrahlen erzeugbar ist. Im Kontext der vorliegenden Erfindung bezeichnet die Periode den Abstand zwischen zwei identischen Strukturmerkmalen unterschiedlicher Vertiefungen des periodischen Musters, also beispielsweise den Abstand zwischen dem Beginn einer ersten Vertiefung des periodischen Musters und dem Beginn der benachbarten Vertiefung des gleichen periodischen Musters. Alternativ oder zusätzlich kann die Periode im Sinne der Erfindung den Abstand zwischen einem Mittelpunkt der ersten Vertiefung des periodischen Musters zu dem Mittelpunkt der hierzu benachbarten Vertiefung des gleichen periodischen Musters bezeichnen. Da die Vertiefungen des periodischen Musters lateral versetzt sind, wird im Sinne der Erfindung auch von der lateralen Periode gesprochen, die wie bereits gesagt den Abstand wiederkehrender Strukturmerkmale benachbarter Vertiefungen des periodischen Musters bezeichnet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Gruppe von Vertiefungen in dem periodischen Muster auf der Werkzeugoberfläche mit einer Periode zwischen 10 nm und 50 µm, insbesondere zwischen 100 nm und 15 µm, in mindestens einer Richtung entlang der Werkzeugoberfläche erzeugt wird. Ein periodische Strukturierung mit einer lateralen Periode in dieser Größenordnung ermöglicht die Ausbildung der eingangs erwähnten, vorteilhaften Oberflächenfunktionalitäten, mit der schließlich auch das Werkstück versehen werden soll. Die Gruppe von Vertiefungen in dem periodischen Muster kann darüber hinaus in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Perioden aufweisen, beispielsweise dann, wenn zur Strukturierung des Werkzeugs drei, vier oder mehr miteinander interferierende Laserstrahlen verwendet werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die Gruppe von Vertiefungen in dem periodischen Muster in zwei verschiedenen Richtungen identische Perioden auf. Weiter kann vorgesehen sein, dass die Gruppe von Vertiefungen in dem periodischen Muster in drei unterschiedliche Richtungen identische Perioden aufweist, was beispielsweise einer hexagonalen Anordnung der Vertiefungen entspricht. Die Gruppe von Vertiefungen ist beispielsweise als sinusförmige Linienstruktur ausgebildet, bei der Vertiefungen und Erhebungen jeweils in der gleichen lateralen Periode hintereinander angeordnet sind.
Vorzugsweise wird zumindest eine Gruppe von Vertiefungen auf der Werkzeugoberfläche mit einem linearen Verlauf und/oder mit einer rechteckigen, bevorzugt quadratischen Grundform und/oder mit einer kreisförmigen Grundform erzeugt. Die Grundform der Vertiefungen kann polygonal, insbesondere hexagonal ausgestaltet sein. Als Spezialfall können die Vertiefungen als Linien ausgestaltet sein, die insbesondere senkrecht zur Erstreckungsrichtung versetzt, und/oder mit einer definierten Periode, angeordnet sein können.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zumindest zwei erste Vertiefungen, insbesondere eine erste Gruppe von Vertiefungen, mit einer ersten lateralen Periode zwischen 10 nm und 50 µm, insbesondere zwischen 100 nm und 15 µm, erzeugt werden und zumindest zwei zweite Vertiefungen, insbesondere eine zweite Gruppe von Vertiefungen, mit einer zweiten lateralen Periode erzeugt werden, wobei insbesondere die zweite laterale Periode kleiner ist als die erste laterale Periode. Die erste laterale Periode kann zwischen 100 nm und 999 µm betragen. Die zweite laterale Periode kann aber auch größer als oder identisch zur ersten lateralen Periode sein. Die zweite Gruppe von Vertiefungen kann im mathematischen Sinne ähnlich zur ersten Gruppe von Vertiefungen ausgestaltet sein, so dass die zweite Gruppe von Vertiefungen mittels mindestens einer mathematischen Ähnlichkeitstransformation, beispielsweise Verschiebung, Rotation, Streckung und/oder Skalierung, aus der ersten Gruppe von Vertiefungen resultiert. Vorzugsweise entspricht die zweite Gruppe von Vertiefungen einer Rotation der ersten Gruppe von Vertiefungen um eine Achse senkrecht zur Werkzeugoberfläche von 90°.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zumindest zwei erste Vertiefungen, insbesondere eine erste Gruppe von Vertiefungen, mit einer ersten Abmessung zwischen 10 nm und 50 µm, insbesondere zwischen 100 nm und 15 µm, erzeugt werden und zumindest zwei zweite Vertiefungen, insbesondere eine zweite Gruppe von Vertiefungen, mit einer zweiten Abmessung erzeugt werden, wobei die zweite Abmessung insbesondere kleiner ist als die erste Abmessung. Wie bereits gesagt kann die Abmessung der Vertiefung im Sinne der Erfindung deren Tiefe entsprechen.
Daneben kann vorgesehen sein, dass, zusätzlich zu den zweiten Vertiefungen, mindestens zwei dritte Vertiefungen, insbesondere eine dritte Gruppe von Vertiefungen, mit einer dritten lateralen Periode und/oder einer dritten Abmessung erzeugt werden, wobei die dritte laterale Periode und/oder die dritte Abmessung insbesondere kleiner sind als die zweite laterale Periode und/oder die zweite Abmessung. In Weiterentwicklungen können bis zu zehn Gruppen von Vertiefungen mit jeweils einer lateralen Periode und/oder einer Abmessung erzeugt werden, wobei insbesondere die laterale Periode und/oder die Abmessung einer Gruppe stets kleiner sind als die laterale Periode und/oder die Abmessungen der vorigen Gruppen.
Vorzugsweise überlappt der Bereich der zweiten Vertiefungen, insbesondere der zweiten Gruppe von Vertiefungen, den Bereich der ersten Vertiefungen, insbesondere der ersten Gruppe von Vertiefungen zumindest teilweise. Entsprechendes gilt für gegebenenfalls erzeugte dritte Vertiefungen, insbesondere die dritte Gruppe von Vertiefungen. Durch eine derartige Überlappung wird es möglich, Strukturen mit verschiedenen lateralen Perioden und/oder Abmessungen miteinander zu kombinieren, insbesondere im mathematischen Sinne aufzumodulieren, und das Werkzeug mit komplexen Oberflächenstrukturen zu versehen, die mit einer einfachen Strukturierung nicht möglich sind. Dadurch werden die Möglichkeiten der Oberflächenfunktionalisierung des Werkzeugs, und damit auch die des Werkstücks, erweitert.
Vorzugsweise erfolgen die Erzeugung der ersten Vertiefungen, insbesondere der ersten Gruppe von Vertiefungen, und die Erzeugung der zweiten Vertiefungen, insbesondere der zweiten Gruppe von Vertiefungen, in einem einzigen Arbeitsschritt oder in separaten Arbeitsschritten. Die Erzeugung der ersten Vertiefungen und der zweiten Vertiefungen in einem einzigen Arbeitsschritt bewirkt eine Steigerung der Prozessgeschwindigkeit. Dagegen beinhaltet die Ausgestaltung der Erzeugung der ersten Vertiefungen und der zweiten Vertiefungen in separaten Arbeitsschritten insbesondere, dass die Werkzeugoberfläche mit unterschiedlichen Interferenzmustern strukturiert wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Werkzeug zwischen zwei Arbeitsschritten bewegt wird. Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das Werkzeug zwischen zwei Arbeitsschritten rotiert, insbesondere um 90°, beispielsweise um eine Erstreckungsachse des Werkzeugs, rotiert wird, so dass besonders einfach Vertiefungen beispielsweise als Kreuz-Strukturmuster und/oder sogenannte Penrose-Strukturmuster ausbildbar sind. Die Vertiefungen der zweiten Gruppe können senkrecht zu den Vertiefungen der ersten Gruppe angeordnet sein, so dass die laterale Periode der zweiten Gruppe von Vertiefungen senkrecht zu der lateralen Periode der ersten Gruppe von Vertiefungen angeordnet ist. Daneben kann die laterale Periode der zweiten Gruppe von Vertiefungen parallel zu der lateralen Periode der ersten Gruppe von Vertiefungen ausgerichtet sein oder einen Winkel zwischen 0° und 180° einschließen.
Vorzugsweise erfolgt die Erzeugung der zweiten Gruppe von Vertiefungen durch eine in Abhängigkeit von dem zu strukturierenden Material des Werkzeugs gewählte Polarisation der Laserstrahlen, wodurch sich insbesondere laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturierungen, insbesondere in einem gemeinsamen Arbeitsschritt mit der Ausbildung der ersten Gruppe von Vertiefungen, ausbilden lassen. Die laterale Periode der zweiten Gruppe von Vertiefungen entspricht beispielsweise höchstens der verwendeten Wellenlänge der Laserstrahlen. Die Polarisation der Laserstrahlen kann linear ausgerichtet sein, wobei der Polarisationsvektor im Wesentlichen senkrecht zu der Erstreckungsrichtung der laserinduzierten periodischen Oberflächenstrukturierungen und/oder parallel zu der den laserinduzierten periodischen Oberflächenstrukturierungen zugeordneten lateralen Periode angeordnet ist. Daneben kann die Richtung des Polarisationsvektors der Laserstrahlen unter einem Winkel zwischen 0° und 180° relativ zu der lateralen Periode der ersten Gruppe von Vertiefungen ausgerichtet sein, so dass durch die Ausrichtung des Polarisationsvektors der Laserstrahlen die Anordnung der zweiten Gruppe von Vertiefungen insbesondere relativ zu der ersten Gruppe von Vertiefungen einstellbar ist.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die ersten Vertiefungen, insbesondere die erste Gruppe von Vertiefungen, mittels Interferenz der mindestens zwei Laserstrahlen erzeugt werden, wobei die zweiten Vertiefungen, insbesondere die zweite Gruppe von Vertiefungen, mittels Interferenz von mindestens zwei Laserstrahlen und/oder mittels eines einzigen Laserstrahls erzeugt werden. Dies bedeutet, dass die ersten Vertiefungen stets mit den miteinander interferierenden Laserstrahlen erzeugt werden, während dies für die Erzeugung der zweiten Vertiefungen nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Die Erzeugung der zweiten Vertiefungen mittels eines einzigen Laserstrahls kann dann sinnvoll sein, wenn die Anzahl der zweiten Vertiefungen verglichen mit der Anzahl der ersten Vertiefungen klein ist und/oder wenn der Bereich der zweiten Vertiefungen verglichen mit dem Bereich der ersten Vertiefungen klein ist. Falls auch die zweiten Vertiefungen mittels miteinander interferierender Laserstrahlen erzeugt werden, kann vorgesehen sein, dass sich die Anzahl der miteinander interferierenden Laserstrahlen im Vergleich mit der Erzeugung der ersten Vertiefungen unterscheidet oder zu diesen identisch ist.
Vorzugsweise werden der Werkzeugrohling vor der Strukturierung und/oder das Werkzeug nach der Strukturierung beschichtet, beispielsweise mit einer Hartstoffschicht, insbesondere mit einer Kohlenstoffschicht. Höchst vorzugsweise wird als Beschichtung eine amorphe Kohlenstoffschicht verwendet. Nach der Strukturierung des Werkzeugs kann eine weitere Oberflächenfunktionalisierung erfolgen, beispielsweise mittels thermischer Verfahren und/oder durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und/oder durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), um beispielsweise die Oberfläche des Werkzeugs zu glätten, indem ungewollte Substrukturen oder Rauigkeiten entfernt werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Werkzeugoberfläche vor der Strukturierung poliert wird.
Das Werkzeug weist vorzugsweise zumindest eine Komponente aus einem Hartmetall auf, das eine Mehrzahl von Hartstoffpartikeln und eine Bindermatrix aufweist. Hartmetalle sind Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, die auch als Hartmetall-Komposit-Werkstoffe bezeichnet werden. Die im Hartmetall vorhandenen Hartstoffpartikel weisen mindestens ein Mitglied aus der Gruppe Diamant, Nitrid, Carbid, Oxid auf und weisen eine vergleichsweise hohe Härte, jedoch eine vergleichsweise niedrige Zähigkeit auf. Zur besseren Verarbeitbarkeit werden die Hartstoffpartikel daher in eine Bindermatrix eingebettet, die mindestens ein Mitglied aus der Gruppe Kobalt, Nickel, Molybdän oder eine Kombination enthält und die die Duktilität des resultierenden Hartmetalls erhöht. Hartmetalle sind härter als reine Metalle, Legierungen und gehärtete Stähle und weisen daher eine höhere Verschleißfestigkeit auf, was auch für das Werkzeug mit einer Komponente aus Hartmetall gilt.
Im Sinne der Erfindung kann der metallische Werkzeugrohling eine Komponente aus einem Hartmetall-Komposit aufweisen oder aus dieser bestehen, das beispielsweise einen Keramik-Metall-Verbund aufweist. Vorzugsweise weist der Werkzeugrohling eine Komponente aus Wolframcarbit-Cobalt-Hartmetall (WC-Co) auf, das optional Komponenten aus Vanadiumcarbid (VC), Chromcarbid (Cr₃C₂) und/oder Tantal-Niob-Carbid enthalten kann. Das Werkzeug kann eine Beschichtung aus einem Hartmetallwerkstoff und/oder Diamant und/oder amorphem Kohlenstoff aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich weist das Werkzeug vorzugsweise zumindest eine Komponente aus einem thermisch behandelten Werkzeugstahl auf. Durch die Wahl der thermischen Behandlung können die Eigenschaften des Werkzeugstahls auf den Einsatz des Werkzeugs angepasst werden. Beispielsweise weist das Werkzeug eine Komponente aus vergütetem Werkzeugstahl auf.
Das Werkzeug kann zumindest bereichsweise an der Werkzeugoberfläche eine Hartstoffschicht, vorzugsweise eine Kohlenstoffschicht, höchst vorzugsweise eine tetraedrische, wasserstofffreie Kohlenstoffschicht aufweisen. Insbesondere weist die Werkzeugoberfläche eine amorphe Kohlenstoffschicht auf, die auch als DLC (Diamond-like carbon) oder diamantähnlicher Kohlenstoff bezeichnet wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Kohlenstoffschicht eine Graphitschicht und/oder eine Diamantschicht aufweisen. Durch die Ausbildung einer Kohlenstoffschicht an der Werkzeugoberfläche kann die Oberfläche des Werkzeugs weiter funktionalisiert werden, insbesondere können für tribologische Anwendungen die Reibungs- und Verschleißeigenschaften des Werkzeugs optimiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bearbeitung des Werkstücks kann vorsehen, dass die plastische Verformung des Werkstücks dadurch erfolgt, dass das Werkzeug auf das Werkstück gedrückt bzw. gepresst wird, insbesondere mit einer benutzerdefinierten Einpresstiefe und/oder mit einem benutzerdefinierten Einpressdruck. Das dadurch entstehende Werkstückprofil wird insofern mittels Pressen, Drücken oder Prägen erzeugt. Das erfindungsgemäße Werkzeug kann in einer industriellen Presse integriert sein. Durch die einfache Prozessgestaltung über die Einstellung des Einpressdruckes können die Strukturtiefe und/oder die Strukturgeometrie des Werkstückprofils sehr einfach und effizient variiert werden, was insbesondere für tribologische Anwendungen von hohem Interesse ist. Daneben lassen sich durch die Einstellung des Einpressdrucks variable Aspektverhältnisse bei der Strukturierung des Werkstücks bei vernachlässigbar veränderten Prozesszeiten realisieren. Das Werkstückprofil ist insbesondere zumindest teilweise mathematisch ähnlich, beispielsweise zumindest teilweise komplementär zum Werkzeugprofil ausgebildet, was im Sinne der Erfindung umfasst, dass das Werkstückprofil zumindest einem teilweisen Negativabdruck des Werkzeugprofils entspricht. Insbesondere ist das Werkstückprofil eine zumindest teilweise, insbesondere vollständige Abformung des Werkzeugprofils. Da die Bearbeitung des Werkstücks anhand der Geometrie der Strukturierung des Werkzeugs erfolgt, können auf unterschiedlichen Werkstückmaterialien im Wesentlichen identische Strukturen erzeugt werden. Vorzugsweise wird das zu bearbeitende Werkstück dem Werkzeug zugeführt, insbesondere mittels einer Bandführung.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass das Werkstück, zumindest in dem dem Werkzeug zugeordneten Bereich, in einem einzigen Bearbeitungsschritt plastisch verformt wird, wodurch das Werkstückprofil mit einer zum Werkzeugprofil zumindest bereichsweise komplementären Struktur versehen wird. Die vollständige Bearbeitung des Werkstücks kann erfolgen, indem das Werkzeug sukzessive nach einem Bearbeitungsschritt relativ zur Werkstückoberfläche lateral verfahren wird und abermals das Werkstück mit einem Bearbeitungsschritt bearbeitet.
Vorzugsweise wird das Werkstück mittels des Werkzeugs in mindestens zwei Bearbeitungsschritten plastisch verformt, wobei in einem ersten Bearbeitungsschritt das Werkzeug das Werkstück entlang einer Bearbeitungsachse mit einer ersten Bearbeitungstiefe plastisch verformt und wobei in einem zweiten Bearbeitungsschritt das Werkzeug das Werkstück entlang der Bearbeitungsachse mit einer zweiten Bearbeitungstiefe plastisch verformt und wobei insbesondere sich die erste Bearbeitungstiefe von der zweiten Bearbeitungstiefe unterscheidet. Die zweite Bearbeitungstiefe ist insbesondere kleiner als die erste Bearbeitungstiefe. Es können mehrere Bearbeitungsschritte mit entsprechenden Bearbeitungstiefen vorgesehen sein, wobei die Bearbeitungstiefe eines Bearbeitungsschrittes insbesondere kleiner ist als die Bearbeitungstiefe des vorhergehenden Bearbeitungsschrittes. Die Bearbeitungsachse ist vorzugsweise senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichtet. Durch die mehrfache Bearbeitung des Werkstücks mit unterschiedlichen Bearbeitungstiefen, die beispielsweise Einpresstiefen entsprechen, sind komplexe Werkstücktopographien herstellbar, die mit einem einzigen Bearbeitungsschritt nicht fertigbar sind. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann die zweite Bearbeitungstiefe identisch mit der ersten Bearbeitungstiefe sein. Es kann vorgesehen sein, dass bei zwei Bearbeitungsschritten das gleiche Werkzeug verwendet wird, wobei das Werkzeug zwischen den beiden Bearbeitungsschritten in Translation und/oder in Rotation bewegt wird. Vorzugsweise wird das Werkzeug zwischen den beiden Rotationsschritten um 90°, insbesondere um eine Erstreckungsachse des Werkzeugs, bewegt. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Werkzeug in Translation, insbesondere zwischen den Bearbeitungsschritten sukzessive über den gesamten zu strukturierenden Bereich des Werkstücks bewegt. Hierfür kann beispielsweise eine geeignete Werkzeugführung ausgebildet sein.
Vorzugsweise werden der erste Bearbeitungsschritt mit einem ersten Werkzeug und der zweite Bearbeitungsschritt mit einem zweiten Werkzeug durchgeführt, wobei das erste Werkzeug und/oder das zweite Werkzeug mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden. Vorzugsweise wurden beide Werkzeuge mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass sich die Strukturierungen der Werkzeugoberflächen der Werkzeuge voneinander zumindest bereichsweise unterscheiden. Durch die Bearbeitung des Werkstücks mittels zweier unterschiedlicher Werkzeuge, insbesondere mit zwei unterschiedlichen oder auch identischen Bearbeitungstiefen, sind komplexe Oberflächentopographien herstellbar wie etwa Oberflächentopographien, die Kombinationen, insbesondere im mathematischen Sinne Modulationen von Topographien unterschiedlicher Größenordnungen entsprechen. Daneben können weitere Bearbeitungsschritte mit Werkzeugen vorgesehen sein, wobei die Werkzeuge vorzugsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden.
Vorzugsweise weist das zweite Werkzeug eine periodische Struktur mit einer lateralen Periode auf, die insbesondere kleiner ist als die laterale Periode der periodischen Struktur des ersten Werkzeugs, was im Sinne der Erfindung die Dimensionen der Struktur als auch deren lateralen Periode umfasst. Damit ist insbesondere vorgesehen, dass die periodische Struktur des zweiten Werkzeugs eine kleinere laterale Periode aufweist als die periodische Struktur des ersten Werkzeugs. Die laterale Periode der periodischen Struktur des zweiten Werkzeugs kann daneben auch größer als oder identisch zur lateralen Periode der periodischen Struktur des ersten Werkzeugs sein.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich der Einpressdruck eines Bearbeitungsschrittes von dem Einpressdruck eines anderen Bearbeitungsschrittes unterscheidet, um beispielsweise auch mit der Strukturierung eines einzigen Werkzeugs das Werkstück mit einer komplexen Oberflächentopographie zu versehen. Der verwendete Einpressdruck beträgt vorzugsweise zwischen 100 MPa und 100.000 MPa, wobei der konkret verwendete Einpressdruck in Abhängigkeit der mechanischen Festigkeit des zu bearbeiteten Werkstücks zu wählen ist. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Einpressdruck eines Bearbeitungsschrittes identisch zu dem Einpressdruck eines anderen Bearbeitungsschrittes.
Vorzugsweise wird das Werkstück mittels einer vibrierenden Bewegung des Werkzeugs, insbesondere entlang der Bearbeitungsachse, plastisch verformt. Die Frequenz der Vibration beträgt vorzugsweise zwischen 20 kHz bis 10 GHz und liegt damit im Ultraschallbereich. Erkenntnisse der Anmelderin haben gezeigt, dass durch die Vibration des Werkzeugs während des Pressverfahrens die Rückfederung des Werkstückwerkstoffs reduziert wird, so dass die Abformung der Strukturierung des Werkzeugs auf das Werkstück verbessert wird.
Vorzugsweise wird das Werkstück mittels des Werkzeugs bei einer Temperatur von höchstens 1200°C, insbesondere frei von einem äußeren Wärmeeintrag, bearbeitet.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Werkstück eine Strukturierung auf, die zumindest teilweise ähnlich, insbesondere mindestens teilweise komplementär ausgestaltet ist zu der Strukturierung des Werkzeugs.
Das Werkstück weist insbesondere eine Komponente aus Messing (CuZn) auf mit insbesondere einem Zinkgehalt von im Wesentlichen 30% (CuZn30), die eine besonders ausgeprägte plastische Verformbarkeit aufweist.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert ist. Dabei zeigen:

1 eine schematisch dargestellte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Werkzeugs sowie ein erfindungsgemäßes Werkzeug,
2 eine schematisch dargestellte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und ein erfindungsgemäßes Werkstück,
3 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Werkzeugs sowie ein erfindungsgemäßes Werkzeug,
4 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und ein erfindungsgemäßes Werkstück,
5 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Werkzeugs sowie ein erfindungsgemäßes Werkzeug,
6 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und ein erfindungsgemäßes Werkstück,
7 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Werkzeugs sowie ein erfindungsgemäßes Werkzeug,
8 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und ein erfindungsgemäßes Werkstück,
9 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Werkzeugs sowie ein erfindungsgemäßes Werkzeug,
10 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und ein erfindungsgemäßes Werkstück,
11 bis 14 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Werkzeugs, des erfindungsgemäßen Werkzeugs, sowie eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und des erfindungsgemäßen Werkstücks,
15, 16 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und des erfindungsgemäßen Werksstücks und
17, 18 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und des erfindungsgemäßen Werksstücks.

1 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Werkzeugs 10 anhand drei Abbildungen des Werkzeugs 10. In 1 ist in der linken Darstellung das Werkzeug 10 in noch unbearbeiteten Zustand als Werkzeugrohling 11 angeordnet, der im gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen ein Zylinder aus einem Wolframcarbid-Cobalt-Hartmetall (WC-Co) ist und via Funkenerosion hergestellt wurde. Die spätere Bearbeitung eines Werkstücks 12 soll durch die Deckfläche 13 des Werkzeugs 10 erfolgen, so dass die Deckfläche 13 des Werkzeugrohlings 11 mit einer in 1 nicht gezeigten Beschichtung aus einem amorphen Kohlenstoff versehen ist, der auch als diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC) bezeichnet wird.
Zur erfindungsgemäßen Herstellung des Werkzeugs 10 wird der Werkzeugrohling 11 in einer Laserbearbeitungsvorrichtung 14 bereitgestellt, die in der mittigen Darstellung von 1 aus Übersichtsgründen nur schematisch gezeigt ist. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 14 weist ein Optik-Modul 15 auf, das einen einfallenden Laserstrahl im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 in zwei Teilstrahlen 17, 18 aufteilt und in Richtung der zu strukturierenden Deckfläche 13 des Werkzeugrohlings 11 als Werkzeugoberfläche 13 richtet. Je nach Anwendung können bis zu neun Laserstrahlen als Teilstrahlen verwendet werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird gepulste Laserstrahlung mit zeitlichen Pulsdauern von 1 ps, damit ultrakurze Pulse, und mit einer Pulsenergie von 100 µJ verwendet. Die zwei in Richtung des Werkzeugrohlings 11 gelenkten Teilstrahlen 17, 18 sind zueinander derart in einem endlichen Winkel ausgerichtet, dass die Teilstrahlen 17, 18 in einem Interferenzbereich 19 miteinander interferieren. Der Werkzeugrohling 11 ist in der Laserbearbeitungsvorrichtung 14 derart angeordnet, dass der Interferenzbereich 19 im Wesentlichen auf der Deckfläche 13 des Werkzeugrohlings 11 als Arbeitsfläche angeordnet ist. Das durch die interferierenden Teilstrahlen 17, 18 ausgebildete Interferenzmuster ist im Wesentlichen abhängig von dem Winkel, den die Teilstrahlen 17, 18 einschließen, deren Polarisation und der Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung, so dass durch eine Änderung dieser Parameter das Interferenzmuster bedarfsgemäß angepasst werden kann. Durch die auftreffenden, miteinander interferierenden Teilstrahlen 17, 18 wird die Deckfläche 13 des Werkzeugrohlings 11 strukturiert, wobei die Strukturierung im Wesentlichen den Intensitätsmaxima des Interferenzmusters entspricht. Durch den Einsatz von ultrakurz gepulster Laserstrahlung erfolgt die Strukturierung des Werkzeugs 10, damit dessen Herstellung, im Wesentlichen rein ablativ, das heißt ohne Wärmeeinbringung in die Deckfläche 13 des Werkzeugrohlings 11, da die Pulsdauer der Laserstrahlung derart kurz ist, dass keine thermische Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dem Material des Werkzeugrohlings 11 erfolgt. Insofern wird diese Art der Bearbeitung auch als kalte Ablation bezeichnet. Hierdurch lassen sich vergleichsweise feine Strukturmuster im Mikro- und/oder Nanoskalenbereich bei gleichzeitiger Vermeidung einer thermischen Werkzeugschädigung realisieren. Durch die miteinander interferierenden Teilstrahlen 17, 18 bilden sich im Interferenzbereich 19 topographische Strukturen im genannten Bereich aus, so dass eine Strukturierung der Deckfläche 13 des Werkzeugrohlings 11 erzeugt wird. Zur Strukturierung werden im gezeigten Ausführungsbeispiel 50 Pulse überlagert.
Falls eine Strukturierung des Werkzeugrohlings 11 über den Interferenzbereich 19 der Teilstrahlen 17, 18 hinaus gewünscht ist, kann der Werkzeugrohling 11 relativ zum Interferenzbereich 19 verfahren werden, was Bewegungen in Translation und/oder Rotation einschließt und durch die in 1 grau dargestellten Pfeile verdeutlicht ist. Hierzu ist die Laserbearbeitungsvorrichtung 14 derart ausgebildet, dass der Interferenzbereich 19 der Teilstrahlen 17, 18, der insofern einem Fokusbereich entspricht, relativ zu der zu strukturierenden Deckfläche 13 des Werkzeugrohlings 11 beweglich ist. Beispielsweise erfolgt dies durch eine Auslenkung der beiden Teilstrahlen 17, 18 mittels mit Servomotoren angesteuerten Spiegeln im Sinne einer F-Theta-Optik (in 1 nicht gezeigt). Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Werkzeugrohling 11 beispielsweise durch in 1 nicht gezeigte Linearführungen in Translation bewegt werden. Durch eine entsprechende Führung ist auf diese Weise auch eine Rotation des Werkzeugrohlings 11 relativ zur Laserbearbeitungsvorrichtung insbesondere um seine Erstreckungsachse möglich. Durch die Bewegung des Interferenzbereichs 19 relativ zur Deckfläche 13 des Werkzeugrohlings 11 ist eine Strukturierung der Deckfläche 13 über den Interferenzbereich 19 hinaus möglich, indem die Deckfläche 13 mittels der interferierenden Teilstrahlen 17, 18 sukzessive bearbeitet, insbesondere teil- oder vollflächig abgerastert wird.
Im Ausführungsbeispiel der 1 führt die Strukturierung zu einem Werkzeugprofil 20 des Werkzeugs 10, damit zu einer Oberflächentopographie, mit linienförmigen Strukturelementen 21, die aus Übersichtsgründen stark vergrößert auf der rechten Darstellung in 1 gezeigt sind. Das Werkzeugprofil 20 der Deckfläche 13 des Werkzeugs 10 senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Strukturelemente 21 entspricht näherungsweise einem sinusförmigen Verlauf, bei dem jeweils gleich groß ausgeformte Vertiefungen 22 und Erhebungen 23 in einem festen Abstand Δd, der im Sinne der Erfindung als laterale Periode bezeichnet wird, hintereinander angeordnet sind und wobei zwischen den Vertiefungen 22 und Erhebungen 23 jeweils ein stetiger Übergang besteht; dies wird in 1 durch durchgezogene Linien verdeutlicht. Die laterale Periode Δd zwischen einer Vertiefung 22 und einer hierzu benachbarten Vertiefung 22 beträgt im gezeigten Ausführungsbeispiel 10 µm. Die Erhöhungen 23 sind in der gleichen lateralen Periode Δd angeordnet. Das in 1 rechts dargestellte Werkzeug 10 ist auf seiner Deckfläche 13 vollflächig mit linienförmigen Strukturelementen 21 versehen und somit fertig bearbeitet.
Das in 1 rechts dargestellte, fertig bearbeitete Werkzeug 10 wird anschließend als Prägewerkzeug bzw. Prägestempel in einer in 2 nicht dargestellten Prägevorrichtung verwendet und dem zu bearbeitenden Werkstück 12 gegenüber gestellt, so dass die Deckfläche 13 des Werkzeugs 10 dem Werkstück 12 zugewandt ist. Im Ausführungsbeispiel der 2 ist das Werkstück 12 ein Blech aus Messing (CuZn30). Indem das Werkzeug 10 mit dem bereits erwähnten Werkzeugprofil 20 mit einem Anpressdruck von 1.500 MPa auf das Werkstück 12, damit entlang einer senkrecht zur Werkstückoberfläche 13 angeordneten Bearbeitungsachse 24, gepresst wird, erfolgt eine zumindest partielle Abformung des Werkzeugprofils 20 auf das Werkstück 12 als plastische Verformung, wobei das Werkstück 12 mit einem Werkstückprofil 25 versehen wird, das zumindest bereichsweise zu dem Werkzeugprofil 20 korrespondiert, insbesondere zumindest teilweise komplementär zu diesem ausgebildet ist. In der linken Darstellung der 2 ist die Bearbeitungsachse 24 durch einen großen grauen Pfeil verdeutlicht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine vollflächige Strukturierung des Werkstücks 12 gewünscht, wobei die strukturierte Deckfläche 13 des Werkzeugs 10 wesentlicher kleiner ist als die zu strukturierende Oberfläche des Werkstücks 12. Daher wird das Werkzeug 10 nach diesem Bearbeitungsschritt relativ zum Werkstück 12 bewegt, woraufhin eine erneute Prägung mit dem genannten Anpressdruck erfolgt. Anschließend wird dieser Vorgang solange wiederholt, bis das Werkstück 12 vollflächig strukturiert ist. Dieser Vorgang wird auch als Stitching bezeichnet und ist in der linken Darstellung durch die kleinen grauen Pfeile verdeutlicht. Das fertig strukturierte Werkstück 12 ist in 2 rechts dargestellt, woraus ersichtlich ist, dass das Werkstückprofil 25 zumindest teilweise komplementär zum Werkzeugprofil 20 ausgebildet ist, indem das Werkstückprofil 25 Vertiefungen 22 aufweist, die in der gleichen lateralen Periode Δd angeordnet sind wie die Vertiefungen 22 des Werkzeugprofils 20.
3 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Herstellung eines Werkzeugs 10 mit einem Werkzeugprofil 20, das sich von jenem des Ausführungsbeispiels der 1 unterscheidet. Hierzu wird das Werkzeug 10 als Werkzeugrohling 11 mittels der Laserbearbeitungsvorrichtung 14 zunächst ähnlich zum Ausführungsbeispiel der 1 auf seiner Deckfläche 13 vollflächig mit einem Werkzeugprofil 20 mit linienförmigen Strukturelementen 21 als erste Vertiefungen 22 versehen, so dass diesbezüglich zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Äußerungen verwiesen wird. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 beträgt die Pulsenergie der Laserstrahlung 80 µJ und zur Strukturierung werden 20 Einzelpulse überlagert. Das dadurch erhaltene, erste Werkzeugprofil 20 der dritten Darstellung von 3 ähnelt qualitativ dem Werkzeugprofil 20 gemäß 1, weist jedoch im Gegensatz zu dieser eine kleinere laterale Periode Δd von 6 µm auf. Nach dieser ersten Strukturierung wird das Werkzeug 10 im Übergang von der in 3 dritten Darstellung zur vierten Darstellung um 90° um seine Erstreckungsachse A gedreht und abermals in der Laserbearbeitungsvorrichtung 14 bereitgestellt, so dass anschließend eine weitere, vollflächige Strukturierung der Deckfläche 13 mit den gleichen Parametern der ersten Strukturierung erfolgt.
Im Ergebnis weist das in 3 rechts gezeigte Werkzeug 10 ein Werkzeugprofil 20 mit einer säulenförmigen Strukturierung mit Erhebungen 23 auf, die in einer ersten Richtung R₁ mit einer ersten lateralen Periode Δd von 6 µm hintereinander angeordnet sind, und die außerdem in einer zweiten Richtung R₂, die senkrecht zur ersten Richtung R₁ angeordnet ist, mit einer zweiten lateralen Periode Δd von ebenfalls 6 µm hintereinander angeordnet sind. Da zwei benachbarte Erhebungen 23 des Werkzeugprofils 20 jeweils von einer Vertiefung 22 getrennt sind, weist das Werkzeugprofil 20 erste Vertiefungen 22 entlang der ersten Richtung R₁ auf, die in der ersten lateralen Periode Δd angeordnet sind, sowie zweite Vertiefungen 22 entlang der zweiten Richtung R₂, die in der zweiten lateralen Periode Δd angeordnet sind, wobei in 3 nur eine laterale Periode Δd eingezeichnet ist. Der Bereich der zweiten Vertiefungen 22 überlappt den Bereich der ersten Vertiefungen 22 und die ersten Vertiefungen und die zweiten Vertiefungen 22 werden in separaten Arbeitsschritten erzeugt.
Das in 3 rechts gezeigte Werkzeug 10 wird als Prägestempel dem zu bearbeitenden Werkstück 12 gemäß 4 gegenüber gestellt, wobei die Deckfläche 13 dem Werkstück 12 zugewandt ist. Die Bearbeitung des Werkstücks 12 durch das Werkzeug 10 erfolgt durch einen Anpressdruck von 1.200 MPa entlang der Bearbeitungsachse 24, so dass das säulenförmige Werkzeugprofil 20 teilweise komplementär auf das Werkstück 12 abgeformt wird mit dem Ergebnis, dass das Werkstück 12 ein Werkstückprofil 25 mit Vertiefungen 22 aufweist, die, ähnlich zu den Erhebungen 23 des Werkzeugs 10, in zwei zueinander senkrecht angeordneten Richtungen R₁, R₂ jeweils in einer lateralen Periode Δd von 6 µm hintereinander angeordnet sind. Die vollflächige Bearbeitung des Werkstücks 12 erfolgt wie bereits in Zusammenhang mit 2 beschrieben im Sinne des Stitchings, was durch die grauen Pfeile in der linken Darstellung der 4 verdeutlicht ist. Die rechte Darstellung der 4 zeigt das vollflächig mit dem Werkzeug 10 bearbeitete Werkstück 12 mit dem bereits erwähnten Werkstückprofil 25.
Im Ausführungsbeispiel der 5 erfolgt die Strukturierung des Werkzeugs 10 als Werkzeugrohling 11 ähnlich zum Ausführungsbeispiel der 3 in zwei Bearbeitungsschritten. Zunächst wird der zylindrische Werkzeugrohling 11 aus einem Wolframcarbid-Cobalt-Hartmetall (WC-Co) in der Laserbearbeitungsvorrichtung 14 bereitgestellt, die die Deckfläche 13 des Werkzeugrohlings 11 in einem ersten Bearbeitungsschritt mit einer ersten Gruppe von Vertiefungen 22 strukturiert. Dieser erste Bearbeitungsschritt erfolgt durch Laserstrahlung mit einer Pulsdauer von 100 fs und einer Pulsenergie von 20 pJ, wobei drei Teilstrahlen 17, 18, 26 miteinander interferieren und zehn Einzelpulse überlagert werden. Danach wird die Laserbearbeitungsvorrichtung 14 relativ zum Werkzeugrohling 11 derart bewegt, dass erneut eine Strukturierung erfolgt, bis die gesamte Deckfläche 13 des Werkzeugrohlings 11 strukturiert ist und das in der mittigen Darstellung von 5 gezeigte Werkzeugprofil 20 ausgebildet ist. Aufgrund der genannten Strukturierungsparameter weist das Werkzeugprofil 20 nach der Strukturierung des Werkzeugs 10 eine periodische Anordnung von Vertiefungen 22 auf, die auch Senken genannt werden, wobei das Werkzeugprofil 20 drei Achsen entlang der Deckfläche 13 des Werkzeugs 10 aufweist, entlang derer die Vertiefungen 22 in der jeweils gleichen lateralen Periode Δd angeordnet sind, wobei die laterale Perioden Δd der Vertiefungen 22 jeweils 1 µm betragen. Im Sinne der Erfindung wird diese Anordnung von Vertiefungen 22 auch als hexagonale Anordnung bezeichnet. Das vollflächig strukturierte Werkzeug 10 nach dem ersten Arbeitsschritt ist in der mittigen Darstellung von 5 gezeigt, wobei die Dimensionen der Vertiefungen 22 aus Übersichtsgründen nicht maßstabsgetreu sondern stark vergrößert dargestellt sind.
In einem nachfolgenden Arbeitsschritt wird das Werkzeugprofil 20 mit einer weiteren Strukturierung versehen, deren Bereich den Bereich der ersten Strukturierung überlagert. Hierzu werden die Parameter der Laserbearbeitungsvorrichtung 14 geändert, so dass die zweite Strukturierung mittels Laserstrahlung mit einer Pulsdauer von 100 fs, einer Pulsenergie von 30 µJ und durch zwei miteinander interferierende Laserstrahlen 17, 18 erfolgt, wobei die Strukturierung durch eine Überlagerung von zehn Pulsen erfolgt, bevor die Laserbearbeitungsvorrichtung 14 relativ zum Werkzeug 10 in bereits genannter Weise bewegt wird, um das Werkzeug 10 vollflächig zu strukturieren. Die zweite Strukturierung des Werkzeugs bewirkt eine Ausbildung von linienförmigen Strukturelementen 21 als Vertiefungen 22, die in einer lateralen Periode Δd von 2 µm hintereinander angeordnet sind. Durch die Überlagerung der ersten Strukturierung mit den hexagonal angeordneten Vertiefungen 22 in einer - ersten - lateralen Periode Δd von 1 µm mit der zweiten Strukturierung mit linienförmigen Strukturelementen 21 in einer - zweiten - lateralen Periode von 2 µm weist das Werkzeugprofil 20 eine periodische, gleichzeitig aber auch hierarchische Strukturierung auf, die in der rechten Darstellung der 5 gezeigt ist, und die als dominantes Element die linienförmigen Vertiefungen 22 gemäß der zweiten Strukturierung aufweist, wobei in den nicht im Rahmen der zweiten Strukturierung bearbeiteten Bereichen die hexagonale Anordnung der Vertiefungen 22 gemäß der ersten Strukturierung mit einer im Vergleich zur zweiten Strukturierung kleinerer lateralen Periode Δd ausgebildet ist.
Nachdem das Werkzeugprofil 20 mit der hierarchischen Strukturierung gemäß der rechten Darstellung von 5 versehen ist, wird das Werkzeug 10 einem zu prägenden Blech aus Messing (CuZn30) als Werkstück 12 gegenüber gestellt. Anschließend wird das Werkstück 12 mit dem Werkzeug 10 unter einem Anpressdruck von 3.500 MPa entlang der Bearbeitungsachse 24 beaufschlagt, wobei das Werkzeug 10 als Prägestempel mit einer Frequenz im Ultraschallbereich vibriert wird, um den Abformprozess zu optimieren. Dadurch erfolgt eine vollständige Abformung des Werkzeugprofils 20 auf das Werkstück 12, das damit ein zum Werkzeugprofil 20 komplementäres Werkstückprofil 25 aufweist. Aufgrund der gegen die Oberfläche des Werkstücks 12 kleineren Oberfläche des Werkzeugs 10 erfolgt die vollflächige Strukturierung des Werkstücks 12 durch ein sukzessives Bewegen des Werkzeugs 10 relativ zum Werkstück 12 im Sinne des bereits genannten Stitchings, was in der linken Darstellung der 6 durch die grauen Pfeile dargestellt ist. Das fertige, vollflächig strukturiere Werkstück 12 ist in 6 rechts gezeigt, wobei das Werkstückprofil 25 wie bereits erwähnt komplementär zu dem Werkzeugprofil 20 ausgestaltet ist.
7 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung des Werkzeugs 10 durch die Strukturierung eines zylindrischen Werkzeugrohlings 11 aus einem Wolframcarbid-Cobalt-Hartmetall (WC-Co), bei dem dieser ähnlich zu den vorigen Ausführungsbeispielen in der Laserbearbeitungsvorrichtung 14 bereitgestellt wird. Die Strukturierung erfolgt mittels linear polarisierter Laserstrahlung mit einer Pulsdauer von 5 ps und einer Pulsenergie von 50 pJ, wobei zur Strukturierung 200 Pulse überlagert werden. Gemäß der linken Darstellung von 7 geht hervor, dass die Strukturierung mittels zweier miteinander interferierender Teilstrahlen 17, 18 erfolgt, wobei die lineare Polarisation P der Teilstrahlen 17, 18 jeweils so gewählt ist, dass die Polarisationsebene parallel zu der zu strukturierenden Deckfläche 13 des Werkzeugrohlings 11 angeordnet ist. Durch die Strukturierung des Werkzeugrohlings 11 weist das Werkzeugprofil 20 sinusförmige, linienförmige Strukturelemente 21 als Gruppe von Vertiefungen 22 auf, die in einer lateralen Periode Δd von 6 µm hintereinander angeordnet sind, ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel der 1.
Im Ausführungsbeispiel der 7 wird diese - primäre - Strukturierung durch eine weitere - sekundäre - Strukturierung überlagert, die sich aufgrund der Polarisierung der miteinander interferierenden Teilstrahlen 17, 18 ausbildet. Diese sekundäre Strukturierung entsteht aufgrund der vorstehend beschriebenen linearen Polarisation der Teilstrahlen 17, 18 und bewirkt die zusätzliche Erzeugung von ebenfalls linienförmigen Strukturelementen 21 als eine weitere Gruppe von Vertiefungen 22 auf, die Strukturgrößen, insbesondere eine laterale Periode Δd, aufweisen, die in etwa höchstens der Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung entspricht. Die Vertiefungen 22 der sekundären Strukturierung sind im Wesentlichen unter einem Winkel von 0° relativ zur linearen Polarisation der Teilstrahlen 17, 18 und unter einem Winkel von 90° relativ zu den Vertiefungen 22 der primären Strukturierung angeordnet. Die Erstreckungsrichtungen der linienförmigen Strukturelemente 21 der sekundären Strukturierung sind daher im Wesentlichen senkrecht zur Polarisation der Teilstrahlen 17, 18 angeordnet. Die Erzeugung der ersten Gruppe von Vertiefungen 22 als primäre Strukturierung und der zweiten Gruppe von Vertiefungen 22 erfolgt in einem einzigen Arbeitsschritt durch die bereits erwähnte Überlagerung von 200 Pulsen und aufgrund der Polarisation der Teilstrahlen 17, 18. Das Werkzeug 10 wird in der bereits erwähnten Weise vollflächig strukturiert; das vollflächig strukturierte Werkzeug 10 ist in der rechten Darstellung von 7 gezeigt.
Mit dem gemäß 7 hergestellten Werkzeug 10 wird anschließend gemäß der linken Darstellung von 8 ein Blech aus Messing (CuZn30) als Werkstück 12 bearbeitet, indem das Werkzeug 10 als Prägestempel mit einem Anpressdruck von 2.000 MPa entlang der Bearbeitungsachse 24 auf das Werkstück 12 gepresst wird, wobei zeitgleich hierzu das Werkzeug 10 mit Frequenzen im Ultraschall-Bereich entlang der Bearbeitungsachse 24 vibriert wird, um den Abformprozess zu optimieren. Das Werkzeugprofil 20 wird dadurch nicht in seiner vollständigen Höhe, sondern nur teilweise als hierzu komplementäre Struktur auf das Werkstückprofil 25 abgeformt, wobei das Werkstückprofil 25 die primäre Strukturierung mit den in einer lateralen Periode Δd von 6 µm hintereinander angeordneten linienförmigen Strukturelementen 21 und auch die hiermit überlagerte sekundäre Strukturierung mit den zur ersten Strukturierung senkrecht angeordneten linienförmigen Strukturelementen 21 mit Abmessungen aufweist, die im Wesentlichen kleiner als die Wellenlänge der Laserstrahlung sind. Nach Kenntnis der Anmelderin ist die Erzeugung dieser - überlagerten - Strukturierung als Werkstückprofil 25 auf Messing (CuZn30) nicht mit einer unmittelbaren Bearbeitung mittels Laserstrahlung möglich sondern nur mit dem vorstehend beschriebenen Abformprozess, da bei letzterem keine Schmelzdynamiken bei der Erzeugung der Strukturierung auf dem Werkstückprofil erfolgen. Die Bearbeitung des Werkstücks 12, mithin die Erzeugung der überlagerten Strukturierung auf dem Werkstückprofil 25 erfolgt mit einem einzigen Anpress- oder Prägeschritt. Die vollflächige Strukturierung des Werkstücks 12 erfolgt anschließend im Sinne des Stitchings wie dies bereits beschrieben wurde. Das vollflächig strukturierte Werkstück 12 ist in 8 rechts gezeigt.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Werkzeugrohling 11 analog zum Ausführungsbeispiel der 7 strukturiert wird, insbesondere ebenfalls mit Laserstrahlung mit einer Pulsdauer von 5 ps und einer Pulsenergie von 50 µJ. Die Strukturierung erfolgt mittels zweier miteinander interferierender Teilstrahlen 17, 18, wobei die lineare Polarisation P der Teilstrahlen 17, 18 jeweils so gewählt ist, dass die Polarisationsachsen der Teilstrahlen 17, 18 abermals jeweils einen Winkel von 0° relativ zu der zu strukturierenden Deckfläche 13 des Werkzeugrohlings 11 einschließen; die Polarisationsachsen der Teilstrahlen 17, 18 sind daher jeweils parallel zur Deckfläche 13 des Werkzeugrohlings 11 und außerdem senkrecht zu den Polarisationsachsen der Teilstrahlen 17, 18 im Ausführungsbeispiel der 7 ausgerichtet. Analog zum Ausführungsbeispiel der 7 erfolgt die Strukturierung des Werkzeugrohlings 11 durch eine Überlagerung von 200 Laserpulsen. Das vollflächig strukturierte Werkzeug 10 ist in 9 rechts dargestellt, wobei dessen Werkzeugprofil 20 eine primäre Strukturierung mit einer ersten Gruppe von sinusförmigen, linienförmigen Strukturelementen 21 als Vertiefungen 22 aufweist, die in einer lateralen Periode Δd von 6 µm angeordnet sind und insofern der primären Strukturierung des Ausführungsbeispiels gemäß 7 entspricht. Aufgrund der linearen Polarisation P der Teilstrahlen 17, 18 weist das Werkzeugprofil 20 eine sekundäre Strukturierung mit linienförmigen Strukturelementen 21 auf, die die primäre Struktur überlagern und die in der Größenordnung von höchstens der verwendeten Wellenlänge ausgebildet sind. Bedingt durch die Ausrichtung der linearen Polarisationsvektoren P der Teilstrahlen 17, 18 ist die sekundäre Strukturierung mit den linienförmigen Strukturelementen 21 als Vertiefungen 22 parallel zur Erstreckungsrichtung der primären Strukturierung und damit senkrecht zu der sekundären Strukturierung des Ausführungsbeispiels gemäß 7 angeordnet. Die Strukturierung des Werkzeugrohlings 11, einschließlich der primären und sekundären Strukturierung, erfolgt in einem einzigen Arbeitsschritt. 9 zeigt rechts das vollflächig strukturierte Werkzeug 10.
Mit dem gemäß 9 hergestellten Werkzeug 10 wird gemäß 10 das Werkstück 12, hier exemplarisch ein Blech aus Messing (CuZn30) bearbeitet und strukturiert, wobei die Strukturierung durch einen Anpressdruck des Werkzeugs 10 auf das Werkstück von 2.000 MPa entlang der Bearbeitungsachse 24 und einer gleichzeitigen Vibration des Werkzeugs 10 entlang der Bearbeitungsachse 24 mit einer Vibrationsfrequenz im Ultraschall-Bereich erfolgt. Hierdurch erfolgt eine partielle Abformung des Werkzeugprofils 20 auf das Werkstückprofil 25, wobei das Werkstückprofil 25 eine zum Werkzeugprofil 20 komplementär ausgebildete Struktur aufweist, so dass diesbezüglich auf die vorstehende Beschreibung des Werkzeugprofils 20 gemäß 9 verwiesen wird. Die vollflächige Bearbeitung des Werkstücks 12 erfolgt im Wege des bereits beschriebenen Stitchings, was durch die grauen Pfeile in der rechten Darstellung der 10 gezeigt ist. Das vollflächig bearbeitete Werkstück 12 ist in 10 rechts dargestellt.
Die 11 bis 14 zeigen eine weitere Ausgestaltung der Erfindung. Gemäß 11 wird hierbei ein Werkzeugrohling 11 aus einem Wolframcarbid-Cobalt-Hartmetall (WC-Co) analog zum Ausführungsbeispiel der 1 mit einem Werkzeugprofil 20 mit linienförmigen Strukturelementen 21 als Vertiefungen 22 mit einer lateralen Periode Δd von 10 µm versehen. Mit dem insofern hergestellten Werkzeug 10 erfolgt anschließend in einem ersten Bearbeitungsschritt eine vollflächige Strukturierung eines Blechs aus Messing (CuZn30) als Werkstück 12, wie dies bereits in Zusammenhang mit 2 beschrieben wird, wobei abweichend vom Ausführungsbeispiel der 2 nun ein Anpressdruck von 1.000 MPa entlang der Bearbeitungsachse 24 verwendet wird. Das vollflächig strukturierte Werkstück 12 ist in 12 rechts dargestellt.
Nach der vollflächigen Strukturierung des Werkstücks 12 wird das Werkzeug 10 gemäß 13 um 90° um seine Erstreckungsachse A derart gedreht, dass die linienförmigen Strukturelemente 21 nun senkrecht zu den Strukturelementen 21 des Werkstücks 12 ausgerichtet sind. Dies ist in der rechten Darstellung der 13 gezeigt. In dieser Ausrichtung wird das Werkzeug 10 in einem zweiten Bearbeitungsschritt mit einem Anpressdruck von 1.000 MPa entlang der Erstreckungsachse 24 auf das Werkstück 12 beaufschlagt, so dass sich eine überlagerte Strukturierung des Werkstücks 12 als Werkstückprofil 25 ausbildet, das im gezeigten Ausführungsbeispiel als Schachbrettmuster erkennbar ist. 14 zeigt links das noch nicht vollständig mit dem zweiten Bearbeitungsschritt strukturierte Werkstück 12. Die vollflächige Strukturierung des Werkstücks 12 erfolgt durch das bereits erläuterte Stitching; das vollflächig strukturierte Werkstück 12 ist in 14 rechts gezeigt. Die - überlagerte - Strukturierung des Werkstückprofils 25 wird daher durch ein einziges Werkzeug 10 mit einer einzigen, primären Strukturierung in zwei aufeinander folgende Bearbeitungsschritten erhalten, wobei das Werkzeug 10 zwischen den Bearbeitungsschritten um 90° um seine Erstreckungsachse A gedreht wird.
Die 15 und 16 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der von einem vollflächig strukturierten Werkzeug 10 gemäß 1 ausgegangen wird und das in der linken Darstellung von 15 gezeigt ist. Das Werkzeugprofil 20 weist insofern linienförmige Strukturelemente 21 als Vertiefungen 22 mit einer Tiefe von 10 µm gegenüber dem unstrukturierten Bereich der Deckfläche 13 auf, wobei die Vertiefungen 22 in einer lateralen Periode Δd von 10 µm hintereinander angeordnet sind. Ein Blech aus Messing (CuZn30) wird als Werkstück 12 mit dem insofern hergestellten Werkzeug 10 mit einem ersten Anpressdruck von 1.500 MPa entlang der Bearbeitungsachse 24 beaufschlagt, was in der mittigen Darstellung von 15 gezeigt wird. Hierdurch erfolgt eine nicht vollständige Abformung des Werkzeugprofils 20 auf das Werkstückprofil 25, wobei nur die Hälfte der Strukturtiefe des Werkzeugprofils 20, die im Sinne der Erfindung als Bearbeitungstiefe bezeichnet wird, abgeformt wird. Die Bearbeitungstiefe entspricht daher nicht der vollständigen Tiefe der Vertiefungen 22 des Werkzeugprofils 20. Im Ergebnis weist das Werkstückprofil 25 vergleichsweise scharfkantigen Plateaus mit einer Breite von jeweils 5 µm auf, die von Gräben als Vertiefungen von 5 µm Breite und 5 µm Tiefe voneinander getrennt sind. Nach Kenntnis der Anmelderin ist ein derartiges Werkstückprofil 25 nicht durch unmittelbare Strukturierung mittels Laserstrahlung herstellbar, da die dabei auftretenden Schmelzdynamiken zu einer Abrundung des Werkstückprofils führen und dieses beeinträchtigen. Die vollflächige Strukturierung des Werkstücks 12 erfolgt mittels Stitching; das vollflächig strukturierte Werkstück 12 ist in 15 rechts gezeigt.
16 verdeutlicht eine weitere Ausgestaltung der Bearbeitung eines Blechs aus Messing (CuZn30) als Werkstück 12 mit dem in 15 links gezeigten Werkstück 12, wobei die Strukturierung des Werkstücks 12 mit einem im Vergleich mit dem Verfahren der 15 größeren Anpressdruck von 3.500 MPa entlang der Bearbeitungsachse 24 und einer gleichzeitigen Vibration des Werkzeugs 10 als Prägestempel mit Frequenzen im Ultraschall-Bereich entlang der Bearbeitungsachse 24 erfolgt. Hierdurch wird eine vollständige Abformung des Werkzeugprofils 20 auf das Werkstückprofil 25 erhalten, so dass die vollständige Strukturtiefe von 10 µm des Werkzeugprofils 20 abgeformt wird. Die Bearbeitungstiefe des Verfahrens gemäß 16 ist damit, bedingt durch den größeren Anpressdruck, größer als die Bearbeitungstiefe des Verfahrens gemäß 15. Das Werkstückprofil 25 weist im Ergebnis eine Struktur mit sinusförmigen, linienförmigen Strukturelementen 21 auf, die eine Tiefe von 10 µm und eine laterale Periode Δd von 10 µm aufweisen. Das Werkstückprofil 25 ist insofern korrespondierend, insbesondere komplementär zum Werkzeugprofil 20. Die vollflächige Strukturierung des Werkstücks 12 erfolgt mittels Stitching und ist im Ergebnis in 16 rechts gezeigt.
Die 17 und 18 veranschaulichen eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bearbeiten eines Werkstücks 12, das exemplarisch ein Blech aus Messing (CuZn30) ist. Das hierfür verwendete Werkzeug 10 ist in 17 links angeordnet und weist ein Werkzeugprofil 20 mit einer vollflächigen Strukturierung mit säulenförmigen Erhebungen 23 auf, wobei zwischen zwei benachbarten Erhebungen 23 eine Vertiefung 22 als Strukturelement 21 ausgebildet ist. Die Vertiefungen 22 selbst sind in zwei zueinander senkrecht ausgerichteten Richtungen periodisch hintereinander angeordnet. Insofern entspricht das Werkzeugprofil jenem des Ausführungsbeispiels gemäß 3. Quantitativ und im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 3 weisen die Vertiefungen 23 jeweils eine Tiefe von 10 µm gegenüber dem unstrukturierten Bereich des Werkstücks 10 auf und sind in lateralen Perioden Δd von jeweils 10 µm hintereinander angeordnet.
Das Werkzeug 10 wird gemäß der mittigen Darstellung von 17 als Prägestempel mit einem - vergleichsweise geringen - Anpressdruck von 1.200 MPa entlang der Bearbeitungsachse 24 auf das Werkstück 12 gedrückt, so dass wie bereits beschrieben nur eine partielle Abformung des Werkzeugprofils 20 auf das Werkstückprofil 25 erfolgt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Werkzeugprofil 20 nur bis zur Hälfte der Strukturgeometrie von 10 µm abgeformt, was insofern der Bearbeitungstiefe entspricht. Dies führt dazu, dass das Werkstückprofil 25 scharfkantige Vertiefungen 22 mit einem Durchmesser von 5 µm aufweist, wobei die Vertiefungen 22 in einem kubischen periodischen Muster angeordnet sind. Nach Kenntnis der Anmelderin sind derartige Werkstückprofile 22, insbesondere dessen scharfkantige Vertiefungen 22 nicht mittels direkter Laserstrukturierung herstellbar. Die vollflächige Bearbeitung des Werkstücks 12 erfolgt durch Stitching, wie dies bereits beschrieben wurde. Das vollflächig bearbeitete Werkstück 12 ist in 17 rechts gezeigt.
In 18 wird ein weiteres Blech aus Messing (CuZn30) als Werkstück 12 mit dem Prägestempel als Werkzeug 10 gemäß 17 bearbeitet und strukturiert, wobei im Unterschied zu 17 ein vergleichsweise großer Anpressdruck von 3.500 MPa entlang der Bearbeitungsachse 24 mit einer zusätzlichen Vibration des Werkzeugs 10 während des Prägevorgangs mit Frequenzen im Ultraschall-Bereich verwendet wird, um eine möglichst vollständige Abformung des Werkzeugprofils 20 auf das Werkstückprofil 25 zu erhalten. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Abformung des Werkzeugprofils 20 bis zur vollständigen Strukturtiefe von 10 µm, so dass im Ergebnis das Werkzeugprofil 25 eine säulenförmige Topographie aufweist, deren Vertiefungen 22 eine Tiefe von 10 µm aufweisen und in zwei zueinander senkrechten, lateralen Perioden Δd von jeweils 10 µm hintereinander angeordnet sind. Das Werkstückprofil 25 ist damit komplementär zu dem Werkzeugprofil 20 ausgestaltet. Die vollflächige Bearbeitung des Werkstücks 12 erfolgt mittels Stitching, wie dies bereits beschrieben wurde und in 18 in der linken Darstellung durch die grauen Pfeile angedeutet ist. Das vollflächig bearbeitete Werkstück 12 ist in 18 rechts gezeigt.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs (10) für die Bearbeitung eines Werkstücks (12), insbesondere eines Stanz- oder Umformwerkzeugs, bei dem ein metallischer Werkzeugrohling (11) in einer Laserbearbeitungsvorrichtung (14) bereitgestellt wird und die Laserbearbeitungsvorrichtung (14) den Werkzeugrohling (11) an einer Werkzeugoberfläche (13) mittels Interferenz von mindestens zwei Laserstrahlen (17, 18, 26) strukturiert, wobei die mindestens zwei Laserstrahlen (17, 18, 26) zumindest zeitweise Pulsdauern von höchstens 15 ps aufweisen und wobei durch die Strukturierung auf der Werkzeugoberfläche (13) ein Werkzeugprofil (20) mit mindestens einer Vertiefung (22) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vertiefung (22) mit einer Abmessung, insbesondere mit einer Tiefe gegenüber einem unstrukturierten Bereich der Werkzeugoberfläche (13), zwischen 10 nm und 50 µm, insbesondere zwischen 100 nm und 15 µm, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Vertiefungen (22) mit im Wesentlichen identischen Abmessungen, insbesondere mit im Wesentlichen identischen Tiefen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Gruppe von Vertiefungen (22) in einem periodischen Muster auf der Werkzeugoberfläche (13) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe von Vertiefungen (22) in dem periodischen Muster auf der Werkzeugoberfläche (13) mit einer lateralen Periode (Δd) zwischen 10 nm und 50 µm, insbesondere zwischen 100 nm und 15 µm, in mindestens einer Richtung entlang der Werkzeugoberfläche (13) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Gruppe von Vertiefungen (22) auf der Werkzeugoberfläche (13) mit einem linearen Verlauf und/oder mit einer rechteckigen, bevorzugt quadratischen Grundform und/oder mit einer kreisförmigen Grundform erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei erste Vertiefungen (22), insbesondere eine erste Gruppe von Vertiefungen (22), mit einer ersten lateralen Periode (Δd) zwischen 10 nm und 50 µm, insbesondere zwischen 100 nm und 15 µm, erzeugt werden und zumindest zwei zweite Vertiefungen (22), insbesondere eine zweite Gruppe von Vertiefungen (22), mit einer zweiten lateralen Periode (Δd) erzeugt werden, wobei insbesondere die zweite laterale Periode (Δd) kleiner ist als die erste laterale Periode (Δd).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der zweiten Vertiefungen (22), insbesondere der zweiten Gruppe von Vertiefungen (22), den Bereich der ersten Vertiefungen (22), insbesondere der ersten Gruppe von Vertiefungen (22) zumindest teilweise überlappt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der ersten Vertiefungen (22), insbesondere der ersten Gruppe von Vertiefungen (22), und die Erzeugung der zweiten Vertiefungen (22), insbesondere der zweiten Gruppe von Vertiefungen (22), in einem einzigen Arbeitsschritt oder in separaten Arbeitsschritten erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Vertiefungen (22), insbesondere die erste Gruppe von Vertiefungen (22), mittels Interferenz der mindestens zwei Laserstrahlen (17, 18, 26) erzeugt werden, wobei die zweiten Vertiefungen (22), insbesondere die zweite Gruppe von Vertiefungen (22), mittels Interferenz von mindestens zwei Laserstrahlen (17, 18, 26) und/oder mittels eines einzigen Laserstrahls (17, 18, 26) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugrohling (11) vor und/oder das Werkzeug (10) nach der Strukturierung beschichtet wird.
Werkzeug (10), insbesondere Stanz- oder Umformwerkzeug, strukturiert nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 11.
Werkzeug (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (10) zumindest eine Komponente aus einem Hartmetall aufweist, das eine Mehrzahl von Hartstoffpartikeln und eine Bindermatrix aufweist, und/oder zumindest eine Komponente aus einem thermisch behandelten Werkzeugstahl aufweist.
Werkzeug (10) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (10) zumindest bereichsweise an der Werkzeugoberfläche (13) eine Hartstoffschicht, vorzugsweise eine Kohlenstoffschicht, höchst vorzugsweise eine tetraedrische, wasserstofffreie Kohlenstoffschicht aufweist.
Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (12) mittels eines Werkzeugs, das mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt ist, insbesondere mittels eines Werkzeugs (10) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Werkstück (12) mittels des Werkzeugs (10) zumindest bereichsweise plastisch verformt wird und dabei mit einem Werkstückprofil (25) versehen wird, das zumindest bereichsweise zu dem Werkzeugprofil (20) korrespondiert.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (12) mittels des Werkzeugs (10) in mindestens zwei Bearbeitungsschritten plastisch verformt wird, wobei in einem ersten Bearbeitungsschritt das Werkzeug (10) das Werkstück (12) entlang einer Bearbeitungsachse (24) mit einer ersten Bearbeitungstiefe plastisch verformt und wobei in einem zweiten Bearbeitungsschritt das Werkzeug (10) das Werkstück (12) entlang der Bearbeitungsachse (24) mit einer zweiten Bearbeitungstiefe plastisch verformt und wobei insbesondere sich die erste Bearbeitungstiefe von der zweiten Bearbeitungstiefe unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bearbeitungsschritt mit einem ersten Werkzeug (10) und der zweite Bearbeitungsschritt mit einem zweiten Werkzeug (10) durchgeführt werden, wobei das erste Werkzeug (10) und/oder das zweite Werkzeug (10) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt wurden.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Werkzeug (10) eine periodische Struktur mit einer lateralen Periode (Δd) aufweist, die insbesondere kleiner ist als die laterale Periode (Δd) der periodischen Struktur des ersten Werkzeugs (10).
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Einpressdruck eines Bearbeitungsschrittes von dem Einpressdruck eines anderen Bearbeitungsschrittes unterscheidet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10) mittels einer vibrierenden Bewegung des Werkzeugs (10), insbesondere entlang der Bearbeitungsachse (24), plastisch verformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (12) mittels des Werkzeugs (10) bei einer Temperatur von höchstens 1200°C, insbesondere frei von einem äußeren Wärmeeintrag, bearbeitet wird.
Werkstück (12), bearbeitet mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21.