DE202022106292U1 - tool and workpiece - Google Patents
tool and workpiece Download PDFInfo
- Publication number
- DE202022106292U1 DE202022106292U1 DE202022106292.7U DE202022106292U DE202022106292U1 DE 202022106292 U1 DE202022106292 U1 DE 202022106292U1 DE 202022106292 U DE202022106292 U DE 202022106292U DE 202022106292 U1 DE202022106292 U1 DE 202022106292U1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- tool
- workpiece
- depressions
- group
- structuring
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/067—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D37/00—Tools as parts of machines covered by this subclass
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/0006—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring taking account of the properties of the material involved
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
- B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
- B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
- B23K26/355—Texturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
- B23K26/3568—Modifying rugosity
- B23K26/3584—Increasing rugosity, e.g. roughening
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21D37/00—Tools as parts of machines covered by this subclass
- B21D37/20—Making tools by operations not covered by a single other subclass
Abstract
Werkzeug (10), insbesondere Stanz- oder Umformwerkzeug, strukturiert nach einem 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.
Tool (10), in particular a stamping or forming tool, structured according to a method for producing a tool (10) for machining a workpiece (12), in particular a stamping or forming tool,
in which a metallic tool blank (11) is provided in a laser processing device (14) and
the laser processing device (14) structures the tool blank (11) on a tool surface (13) by means of interference of at least two laser beams (17, 18, 26),
wherein the at least two laser beams (17, 18, 26) at least at times have pulse durations of at most 15 ps and
a tool profile (20) with at least one depression (22) being produced by the structuring on the tool surface (13).
Description
Die Erfindung betrifft ein Werkzeug und ein Werkstück.The invention relates to a tool and a workpiece.
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.The invention is concerned with the task of at least partially structuring a workpiece, in particular a metallic workpiece such as a component, with a topography in the lower micron and/or nanometer range. A large number of biological surfaces are structured on this scale, each of which produces its own functional surface properties, such as altered wetting (lotus, thorny devil), color effects (butterfly wing scales), reduced friction (shark skin), reduced adhesion/active killing of germs and pathogens (cicada and dragonfly wings). The topographies of this magnitude are therefore also referred to as biomimetic topographies. In addition to the topography of the surface itself, many of these surface properties are also influenced by the surface chemistry.
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.In the context of the industrial surface structuring of workpieces with topographies of the order of magnitude mentioned, it is currently only possible to process the workpieces directly using at least two laser beams interfering with one another. As a result of this essentially thermal form of processing, the surface of the workpiece undergoes a chemical modification in addition to the topographical modification during processing, which can counteract the desired function or further processing of the workpiece. In this respect, the desired functionalization of the workpiece surface cannot always be guaranteed by means of direct processing by the interfering laser beams, especially in the case of metallic tools, since the thermal effect of the laser radiation is particularly pronounced here due to the electromagnetic absorption properties of metals.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Werkzeug zu entwickeln, mit dem eine verbesserte Oberflächentopographie des Werkstücks in der industriellen Anwendung erhaltbar 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 insofern bearbeitete Werkstück selbst.The object of the invention is therefore to develop a tool with which an improved surface topography of the workpiece can be obtained in industrial use, in particular with which a micro- and / or nanoscale topographical surface functionalization of the workpiece can be realized, the extended design options with reduced thermal and chemical influence on the workpiece compared to direct processing using laser interference. The same applies to the processed workpiece itself.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Werkzeug gemäß Anspruch 1 und durch ein Werkstück gemäß Anspruch 14.The object of the invention is achieved by a tool according to
Das erfindungsgemäße Werkzeug ist derart nach einem Verfahren zur Herstellung desselben strukturiert, 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.The tool according to the invention is structured according to a method for producing the same in such a way that a metallic tool blank is provided in a laser processing device and the laser processing device structures the tool blank on a tool surface by means of interference of at least two laser beams, the at least two laser beams at least temporarily having pulse durations of at most 15 ps have and wherein a tool profile with at least one recess is generated by the structuring on the tool surface.
Das erfindungsgemäße Werkstück ist mit einem erfindungsgemäßen Werkzeug bearbeitet, wobei das Werkstück mittels des Werkzeugs zumindest bereichsweise plastisch verformt wird und dabei mit einem Werkstückprofil versehen wird, das zumindest bereichsweise zu dem Werkzeugprofil korrespondiert.The workpiece according to the invention is machined with a tool according to the invention, the workpiece being plastically deformed at least in regions by means of the tool and being provided with a workpiece profile that corresponds at least in regions to the tool profile.
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 nutzt 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.The invention is based on the basic idea that, moving away from the already known direct structuring of the workpiece by means of the interfering laser radiation, the tool is now first produced by the structuring described and then, in a next step, the workpiece itself can be structured. The essential core of the invention is that an interaction of the laser radiation with the workpiece surface that is ultimately to be structured is avoided, so that the disadvantageous chemical modification of the workpiece surface known from the prior art does not occur, although its desired functionality is retained or can be guaranteed in the first place . The invention uses the structuring of the workpiece surface, in particular a metallic substrate surface, for example in the lower micron and/or nanometer range by plastic deformation, which does not affect the surface chemistry. Thus, only the topography of the metallic substrate is modified without affecting the basic chemical interaction with substances in contact, e.g. wetting by water or oils. The present invention makes a previously unfeasible purely topographical surface functionalization accessible for industrial use, which is particularly suitable for further processing of the surfaces via electroplating, PVD, etc.
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 erfindungsgemäßen 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.Investigations by the applicant have shown that the essentially plastic machining of the workpiece carried out within the scope of the invention does not result in any significant chemical modification of the workpiece, as was previously the case with the known methods from the prior art. For example, studies by the applicant have shown that the wetting properties of a workpiece according to the invention differ significantly from the wetting properties of a workpiece processed by means of direct laser interference structuring, which can be attributed to the avoidance of chemical surface modification in the case of the invention.
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 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.Another basic idea of the invention is that the use of mutually interfering laser beams for manufacturing the tool by structuring it allows a large tool surface to be processed in a short time, with the result that the process efficiency of the method is improved. In particular, the tool can be provided with a full-surface surface structure in the micro and/or nanometer scale range in a short processing time, which leads to a significantly higher process efficiency and thus lower tool costs compared to other existing high-precision processing methods such as focused laser or ion beams. This advantage is particularly evident in comparison to structuring the tool with only a single laser beam, which has to be directed along the entire tool surface to be structured, which is laborious and slow.
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.Further advantages compared to the direct structuring of the workpieces are in particular a greater variety of possible topographical geometries of the workpieces, for example through partial molding with low contact pressure and multiple embossing with variable structuring of the tool, as well as the lower process time for structures with high depth or aspect ratio. In particular, the latter structural form can sometimes lead to very long process times in a purely ablative laser process, while embossing can achieve this in one stroke.
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.Since the workpiece is processed by the structured tool and no longer directly by means of laser radiation, as is the case with the known methods, a significant improvement in occupational safety in industrial applications is also achieved.
Durch die 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 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.By using laser pulses with a maximum pulse duration of 15 ps, thermal effects in the interaction between the laser radiation and the tool surface are largely avoided, which in particular prevents the occurrence of melting and thermally induced material damage, in particular stress cracks. It is known that with shorter pulse durations, thermal effects are increasingly neglected and the tool is increasingly processed mechanically. This effect is therefore also referred to as cold ablation. From this point of view, it can be provided that the temporal pulse duration of the laser beams is at most 10 ps, so that even fewer thermal effects occur. Besides, the accuracy of the structure is improved. For the same reason, it is most preferably provided that the temporal pulse duration of the laser radiation is at most 1 ps, as a result of which an even better surface quality of the tool structuring can be obtained. A pulse duration of between 100 fs and 15 ps, in particular between 100 fs and 1 ps, is preferably provided. Furthermore, the power of the laser radiation can be between 1 W and 500 W and/or the energy of the pulses of the laser radiation can be between 10 μJ and 100 mJ. When creating the structuring, between 10 and 1000 individual pulses can be superimposed in a spatial area in order to obtain high structure aspect ratios through a correspondingly high material removal.
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.Furthermore, it can be provided that precisely two laser beams interfering with one another are used to structure the tool. A further development of the invention provides that three laser beams interfering with one another are used, as a result of which a structuring of the tool with indentations in a hexagonal pattern can be produced, for example. In this case, the structuring has three axes along the surface, along which the indentations are each arranged in a lateral period, the lateral periods for the three axes being identical for the purposes of the invention in the case of the hexagonal pattern. In addition, the procedure can be that four laser beams interfering with one another are used in order to produce a square pattern of the depressions when structuring the tool. Finally, it can be provided that at most nine laser beams interfering with one another are used.
Das Werkzeug kann ein Stanz- oder Umformwerkzeug sein, wobei entsprechend die Bearbeitung des Werkstücks ein Stanz- oder Umformverfahren, insbesondere ein Prägeverfahren, sein kann.The tool can be a stamping or forming tool, in which case the processing of the workpiece can be a stamping or forming process, in particular an embossing process.
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.The at least one depression is preferably produced with a dimension, in particular with a depth in relation to an unstructured area of the tool surface, of between 10 nm and 50 μm, in particular between 100 nm and 15 μm. In further embodiments of the invention it can be provided that the dimension of the recess corresponds to its length in the x- and/or y-direction, with the y-direction of the offset direction of the Corresponds to depressions, while the x-direction is arranged perpendicularly thereto. The x and y directions are each perpendicular to the normal of the tool surface and thus each extend along the tool surface. Within the meaning of the invention, a combination of the x and y directions can also be designated as a dimension, which to this extent corresponds to a generally lateral direction.
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.At least two depressions with essentially identical dimensions, in particular with essentially identical depths, are preferably produced. Within the meaning of the invention, two dimensions have essentially identical dimensions if their deviations do not exceed the machining tolerance that is customary in comparable methods. At least two adjacent depressions can be arranged at a distance of 10 nm to 50 μm, in particular 100 nm to 15 μm. With the tool structured in this respect, structural geometries in the range between 10 nm and 50 μm, in particular between 100 nm and 15 μm, can be realized on the workpiece at an industrially relevant process speed while at the same time ensuring reproducibility.
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.Provision is preferably made for at least one group of indentations to be produced in a periodic pattern on the tool surface, since this structure can be produced particularly easily by means of the laser beams interfering with one another. In the context of the present invention, the period designates the distance between two identical structural features of different depressions of the periodic pattern, ie for example the distance between the beginning of a first depression of the periodic pattern and the beginning of the adjacent depression of the same periodic pattern. Alternatively or additionally, the period in the sense of the invention can denote the distance between a center point of the first depression of the periodic pattern and the center point of the depression of the same periodic pattern that is adjacent thereto. Since the indentations of the periodic pattern are laterally offset, the term "lateral period" is also used within the meaning of the invention, which, as already stated, designates the distance between recurring structural features of adjacent indentations in the periodic pattern.
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.In an advantageous development of the invention, it can be provided that the group of indentations in the periodic pattern on the tool surface is produced with a period between 10 nm and 50 μm, in particular between 100 nm and 15 μm, in at least one direction along the tool surface. Periodic structuring with a lateral period of this magnitude enables the advantageous surface functionalities mentioned at the outset to be formed, with which the workpiece is ultimately also to be provided. The group of depressions in the periodic pattern can also have different periods in different directions, for example when three, four or more laser beams interfering with one another are used to structure the tool. In an advantageous development, the group of depressions in the periodic pattern has identical periods in two different directions. It can further be provided that the group of depressions in the periodic pattern has identical periods in three different directions, which corresponds, for example, to a hexagonal arrangement of the depressions. The group of depressions is designed, for example, as a sinusoidal line structure in which depressions and elevations are each arranged one behind the other in the same lateral period.
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.At least one group of indentations is preferably produced on the tool surface with a linear course and/or with a rectangular, preferably square basic shape and/or with a circular basic shape. The basic shape of the depressions can be polygonal, in particular hexagonal. As a special case, the indentations can be designed as lines, which can be arranged offset in particular perpendicularly to the direction of extension and/or with a defined period.
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°.Provision is preferably made for at least two first depressions, in particular a first group of depressions, to be produced with a first lateral period of between 10 nm and 50 μm, in particular between 100 nm and 15 μm, and at least two second depressions, in particular a second group of Depressions are generated with a second lateral period, wherein in particular the second lateral period is smaller than the first lateral period. The first lateral period can be between 100 nm and 999 μm. However, the second lateral period can also be greater than or identical to the first lateral period. The second group of depressions can be configured similarly to the first group of depressions in a mathematical sense, so that the second group of depressions results from the first group of depressions by means of at least one mathematical similarity transformation, for example displacement, rotation, stretching and/or scaling. The second group of indentations preferably corresponds to a rotation of the first group of indentations about an axis perpendicular to the tool surface of 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.Alternatively or additionally, it can be provided that at least two first depressions, in particular a first group of depressions, with a first dimension between 10 nm and 50 μm, in particular between 100 nm and 15 μm, are produced and at least two second depressions, in particular a second Group of depressions are produced with a second dimension, wherein the second dimension is in particular smaller than the first dimension. As already mentioned, the dimensions of the depression in the context of the invention can correspond to its depth.
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.In addition, it can be provided that, in addition to the second depressions, at least two third depressions, in particular a third group of depressions, are produced with a third lateral period and/or a third dimension, the third lateral period and/or the third dimension are in particular smaller than the second lateral period and/or the second dimension. In further developments, up to ten groups of indentations, each with a lateral period and/or a dimension, can be produced, with the lateral period and/or the dimension of a group always being smaller than the lateral period and/or the dimensions of the previous groups.
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.The area of the second depressions, in particular the second group of depressions, preferably at least partially overlaps the area of the first depressions, in particular the first group of depressions. The same applies to any third depressions that may be produced, in particular the third group of depressions. Such an overlap makes it possible to combine structures with different lateral periods and/or dimensions, in particular to modulate them mathematically, and to provide the tool with complex surface structures that are not possible with a simple structure. This expands the possibilities of surface functionalization of the tool, and thus also those of the workpiece.
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.The first depressions, in particular the first group of depressions, and the second depressions, in particular the second group of depressions, are preferably produced in a single work step or in separate work steps. The production of the first indentations and the second indentations in a single work step results in an increase in the process speed. In contrast, the configuration of the production of the first indentations and the second indentations in separate work steps includes, in particular, that the tool surface is structured with different interference patterns. For example, it can be provided that the tool is moved between two work steps. Provision can preferably be made for the tool to be rotated between two work steps, in particular by 90°, for example about an axis of extent of the tool, so that indentations, for example as cross structure patterns and/or so-called Penrose structure patterns, can be formed particularly easily. The pits of the second group may be arranged perpendicularly to the pits of the first group such that the lateral period of the second group of pits is arranged perpendicular to the lateral period of the first group of pits. In addition, the lateral period of the second group of indentations can be aligned parallel to the lateral period of the first group of indentations or enclose an angle between 0° and 180°.
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.The second group of indentations is preferably produced by polarization of the laser beams selected depending on the material of the tool to be structured, as a result of which in particular laser-induced periodic surface structuring can be formed, in particular in a joint work step with the formation of the first group of indentations. The lateral period of the second group of depressions corresponds, for example, at most to the wavelength of the laser beams used. The polarization of the laser beams can be aligned linearly, with the polarization vector being arranged essentially perpendicular to the extension direction of the laser-induced periodic surface structuring and/or parallel to the lateral period associated with the laser-induced periodic surface structuring. In addition, the direction of the polarization vector of the laser beams can be aligned at an angle between 0° and 180° relative to the lateral period of the first group of indentations, so that the alignment of the polarization vector of the laser beams changes the arrangement of the second group of indentations, in particular relative to the first group of wells is adjustable.
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.For example, it can be provided that the first indentations, in particular the first group of indentations, are generated by means of interference of the at least two laser beams, the second indentations, in particular the second group of indentations, by means of interference of at least two laser beams and/or by means of a single Laser beam are generated. This means that the first depressions are always produced with the laser beams interfering with one another, while this is not necessarily the case for the production of the second depressions must. The production of the second indentations by means of a single laser beam can be useful when the number of second indentations is small compared to the number of first indentations and/or when the area of the second indentations is small compared to the area of the first indentations. If the second depressions are also produced by means of laser beams interfering with one another, it can be provided that the number of laser beams interfering with one another differs in comparison with the production of the first depressions or is identical to these.
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.The tool blank is preferably coated before structuring and/or the tool after structuring, for example with a hard material layer, in particular with a carbon layer. An amorphous carbon layer is most preferably used as the coating. After structuring the tool, further surface functionalization can take place, for example by means of thermal processes and/or by chemical vapor deposition (CVD) and/or by physical vapor deposition (PVD), for example to smooth the surface of the tool by removing unwanted substructures or roughness . In a further configuration it can be provided that the tool surface is polished before structuring.
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.The tool preferably has at least one component made from a hard metal, which has a plurality of hard material particles and a binder matrix. Hard metals are metal matrix composite materials, which are also referred to as hard metal composite materials. The hard material particles present in the hard metal have at least one member from the group diamond, nitride, carbide, oxide and have a comparatively high level of hardness, but a comparatively low level of toughness. For better workability, the hard material particles are therefore embedded in a binder matrix which contains at least one member from the group cobalt, nickel, molybdenum or a combination and which increases the ductility of the resulting hard metal. Cemented carbides are harder than pure metals, alloys and hardened steels and therefore have higher wear resistance, which also applies to the tool with a cemented carbide component.
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.According to the invention, the metallic tool blank can have or consist of a component made of a hard metal composite, which has a ceramic-metal composite, for example. The tool blank preferably has a component made of tungsten carbide-cobalt hard metal (WC-Co), which can optionally contain components made of vanadium carbide (VC), chromium carbide (Cr 3 C 2 ) and/or tantalum-niobium carbide. The tool can have a coating of a hard metal material and/or diamond and/or amorphous carbon.
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.Alternatively or additionally, the tool preferably has at least one component made from a thermally treated tool steel. By choosing the thermal treatment, the properties of the tool steel can be adapted to the use of the tool. For example, the tool has a component made of tempered tool steel.
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.The tool can have a hard material layer, preferably a carbon layer, most preferably a tetrahedral, hydrogen-free carbon layer, at least in regions on the tool surface. In particular, the tool surface has an amorphous carbon layer, which is also referred to as DLC (diamond-like carbon) or diamond-like carbon. Alternatively or additionally, the carbon layer can have a graphite layer and/or a diamond layer. The surface of the tool can be further functionalized by the formation of a carbon layer on the tool surface. In particular, the friction and wear properties of the tool can be optimized for tribological applications.
Das erfindungsgemäße Werkstück 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.The workpiece according to the invention can provide that the plastic deformation of the workpiece takes place in that the tool is pressed or pressed onto the workpiece, in particular with a user-defined press-in depth and/or with a user-defined press-in pressure. The resulting workpiece profile is produced by means of pressing, pressing or embossing. The tool according to the invention can be integrated into an industrial press. The structure depth and/or the structure geometry of the workpiece profile can be varied very easily and efficiently thanks to the simple process design via setting the press-in pressure, which is of particular interest for tribological applications. In addition, by adjusting the press-in pressure, variable aspect ratios can be implemented when structuring the workpiece with negligibly different process times. The workpiece profile is in particular at least partially mathematically similar, for example at least partially complementary, to the tool profile, which within the meaning of the invention includes the workpiece profile corresponding at least to a partial negative impression of the tool profile. In particular, the workpiece profile is an at least partial, in particular complete, molding of the tool profile. Because the editing of the work piece based on the geometry of the structuring of the tool, essentially identical structures can be produced on different workpiece materials. The workpiece to be machined is preferably fed to the tool, in particular by means of a belt guide.
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.An advantageous development of the invention can provide that the workpiece, at least in the area assigned to the tool, is plastically deformed in a single processing step, whereby the workpiece profile is provided with a structure that is at least partially complementary to the tool profile. The workpiece can be completely machined by successively moving the tool laterally after one machining step relative to the workpiece surface and machining the workpiece again in one machining step.
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.The workpiece is preferably plastically deformed by means of the tool in at least two processing steps, with the tool plastically deforming the workpiece along a processing axis with a first processing depth in a first processing step, and with the tool plastically deforming the workpiece along the processing axis with a second processing depth in a second processing step deformed and in particular the first processing depth differs from the second processing depth. The second processing depth is in particular smaller than the first processing depth. Several processing steps with corresponding processing depths can be provided, the processing depth of a processing step being in particular smaller than the processing depth of the preceding processing step. The machining axis is preferably aligned perpendicular to the workpiece surface. Due to the multiple processing of the workpiece with different processing depths, which correspond, for example, to inset depths, complex workpiece topographies can be produced that cannot be produced with a single processing step. In another embodiment of the invention, the second machining depth can be identical to the first machining depth. Provision can be made for the same tool to be used in two processing steps, with the tool being moved in translation and/or rotation between the two processing steps. The tool is preferably moved through 90° between the two rotation steps, in particular around an axis of extension of the tool. In a further embodiment of the invention, the tool is moved in translation, in particular between the processing steps, successively over the entire region of the workpiece to be structured. A suitable tool guide can be designed for this purpose, for example.
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 ein erfindungsgemäßes Werkzeug sind. Vorzugsweise sind beide Werkzeuge erfindungsgemäße Werkzeuge. 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, die vorzugsweise erfindungsgemäße Werkzeuge sind.The first machining step is preferably carried out with a first tool and the second machining step with a second tool, the first tool and/or the second tool being a tool according to the invention. Both tools are preferably tools according to the invention. In a development of the invention, it can be provided that the structuring of the tool surfaces of the tools differ from one another at least in certain areas. By processing the workpiece using two different tools, in particular with two different or even identical processing depths, complex surface topographies can be produced, such as surface topographies that correspond to combinations, in particular in the mathematical sense modulations, of topographies of different magnitudes. In addition, further processing steps can be provided with tools, which are preferably tools according to the invention.
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.The second tool preferably has a periodic structure with a lateral period that is in particular smaller than the lateral period of the periodic structure of the first tool, which, in the sense of the invention, includes the dimensions of the structure and also its lateral period. It is thus provided in particular that the periodic structure of the second tool has a smaller lateral period than the periodic structure of the first tool. The lateral period of the periodic structure of the second tool can also be greater than or identical to the lateral period of the periodic structure of the first tool.
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.It is preferably provided that the press-in pressure of one processing step differs from the press-in pressure of another processing step in order, for example, to provide the workpiece with a complex surface topography even with the structuring of a single tool. The press-in pressure used is preferably between 100 MPa and 100,000 MPa, with the press-in pressure actually used being to be selected as a function of the mechanical strength of the workpiece to be machined. In a further embodiment of the invention, the press-in pressure of one processing step is identical to the press-in pressure of another processing step.
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.The workpiece is preferably plastically deformed by means of a vibrating movement of the tool, in particular along the machining axis. The frequency of the vibration is preferably between 20 kHz and 10 GHz thus in the ultrasonic range. Findings of the applicant have shown that the springback of the workpiece material is reduced by the vibration of the tool during the pressing process, so that the molding of the structuring of the tool on the workpiece is improved.
Vorzugsweise wird das Werkstück mittels des Werkzeugs bei einer Temperatur von höchstens 1200°C, insbesondere frei von einem äußeren Wärmeeintrag, bearbeitet.The workpiece is preferably machined using the tool at a temperature of at most 1200° C., in particular free of any external heat input.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße Werkstück eine Strukturierung auf, die zumindest teilweise ähnlich, insbesondere mindestens teilweise komplementär ausgestaltet ist zu der Strukturierung des Werkzeugs.The workpiece according to the invention preferably has a structure which is at least partially similar, in particular at least partially complementary, to the structure of the tool.
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.The workpiece has in particular a component made of brass (CuZn) with in particular a zinc content of essentially 30% (CuZn30), which has a particularly pronounced plastic deformability.
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 eines Verfahrens zur Herstellung eines Werkzeugs sowie ein erfindungsgemäßes Werkzeug, -
2 eine schematisch dargestellte Ausgestaltung eines Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und ein erfindungsgemäßes Werkstück, -
3 eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Werkzeugs sowie ein erfindungsgemäßes Werkzeug, -
4 eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und ein erfindungsgemäßes Werkstück, -
5 eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Werkzeugs sowie ein erfindungsgemäßes Werkzeug, -
6 eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und ein erfindungsgemäßes Werkstück, -
7 eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Werkzeugs sowie ein erfindungsgemäßes Werkzeug, -
8 eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und ein erfindungsgemäßes Werkstück, -
9 eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Werkzeugs sowie ein erfindungsgemäßes Werkzeug, -
10 eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und ein erfindungsgemäßes Werkstück, -
11 bis 14 eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Werkzeugs, des erfindungsgemäßen Werkzeugs, sowie eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und des erfindungsgemäßen Werkstücks, -
15 ,16 eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und des erfindungsgemäßen Werksstücks und -
17 ,18 eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Bearbeitung eines Werkstücks und des erfindungsgemäßen Werksstücks.
-
1 a schematically illustrated embodiment of a method for manufacturing a tool and a tool according to the invention, -
2 a schematically illustrated embodiment of a method for machining a workpiece and a workpiece according to the invention, -
3 a further embodiment of the method for producing a tool and a tool according to the invention, -
4 a further embodiment of the method for machining a workpiece and a workpiece according to the invention, -
5 a further embodiment of the method for producing a tool and a tool according to the invention, -
6 a further embodiment of the method for machining a workpiece and a workpiece according to the invention, -
7 a further embodiment of the method for producing a tool and a tool according to the invention, -
8th a further embodiment of the method for machining a workpiece and a workpiece according to the invention, -
9 a further embodiment of the method for producing a tool and a tool according to the invention, -
10 a further embodiment of the method for machining a workpiece and a workpiece according to the invention, -
11 until14 a further embodiment of the method for manufacturing a tool, the tool according to the invention, and a further embodiment of the method for machining a workpiece and the workpiece according to the invention, -
15 ,16 a further embodiment of the method for machining a workpiece and the workpiece according to the invention and -
17 ,18 a further embodiment of the method for machining a workpiece and the workpiece according to the invention.
Zur Herstellung des Werkzeugs 10 wird der Werkzeugrohling 11 in einer Laserbearbeitungsvorrichtung 14 bereitgestellt, die in der mittigen Darstellung von
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
Im Ausführungsbeispiel der
Das in
Im Ergebnis weist das in
Das in
Im Ausführungsbeispiel der
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
Nachdem das Werkzeugprofil 20 mit der hierarchischen Strukturierung gemäß der rechten Darstellung von
Im Ausführungsbeispiel der
Mit dem gemäß
Mit dem gemäß
Die
Nach der vollflächigen Strukturierung des Werkstücks 12 wird das Werkzeug 10 gemäß
Die
Die
Das Werkzeug 10 wird gemäß der mittigen Darstellung von
In
Claims (20)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202022106292.7U DE202022106292U1 (en) | 2022-11-09 | 2022-11-09 | tool and workpiece |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202022106292.7U DE202022106292U1 (en) | 2022-11-09 | 2022-11-09 | tool and workpiece |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE202022106292U1 true DE202022106292U1 (en) | 2023-05-04 |
Family
ID=86499031
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE202022106292.7U Active DE202022106292U1 (en) | 2022-11-09 | 2022-11-09 | tool and workpiece |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE202022106292U1 (en) |
-
2022
- 2022-11-09 DE DE202022106292.7U patent/DE202022106292U1/en active Active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1516068B1 (en) | Method for smoothing and polishing surfaces by treating them with energetic radiation | |
EP1289734B1 (en) | Stamping tool, method for structuring a surface of a workpiece and use of an anodized surface layer | |
WO2007012215A1 (en) | Method and device for the defined structuring of a surface with a laser unit | |
EP0565742A1 (en) | Procedure of fine machining workpiece surfaces | |
DE202012012732U1 (en) | Steel embossing roller with a structured surface and device for producing the structured surface | |
EP1646507B1 (en) | Multi-layer body, device and method for producing a high-resolution surface pattern | |
EP1234623A2 (en) | Method for manufacturing microstructured sheets | |
DE2415619A1 (en) | TAPPING SCREWS | |
DE102006036151A1 (en) | Procedure for the surface processing of a work piece with a tribologically occupiable surface, comprises finishing the surface and bringing in by means of laser structuring bags | |
DE102009025621B4 (en) | Method for producing a metallic component with a hardened surface layer and component produced therefrom | |
DE102004052068A1 (en) | Cutting tool, method for its manufacture and its use | |
DE202022106292U1 (en) | tool and workpiece | |
DE102022129623A1 (en) | Method for producing a tool, tool, method for machining a workpiece, workpiece | |
WO2024100118A1 (en) | Method for producing a tool, tool, method for machining a workpiece, workpiece | |
DE102020107858A1 (en) | Process for the surface texturing of a skin-pass roller, skin-pass roller and skin-pass steel sheet | |
DE102010028183B4 (en) | Forming tool and method for machining the surface of a forming tool | |
EP1420917A1 (en) | Method and device for micromachining a workpiece by means of laser radiation | |
EP2561987A2 (en) | Method for engraving a printing plate | |
EP3354460B1 (en) | Method for engraving an intaglio deep pressure plate | |
DE2013674A1 (en) | Localised electron beam steel hardening | |
EP3739113A1 (en) | Method and device for manufacturing a watermarking tool | |
DE102019220167A1 (en) | Method for polishing and / or smoothing a metallic surface of a workpiece and workpiece with a polished and / or smoothed surface | |
DE102004023021B4 (en) | Method for ablative processing of surface areas | |
DE102021130855A1 (en) | Process for manufacturing an embossing tool for a hot-cold laminating press | |
DE102010013348A1 (en) | Method for manufacturing printing stencil with substrate side and squeegee side from stencil body using ablation laser, involves introducing recess into stencil body of substrate side, and representing print pattern by through hole |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |