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Verfahren zur Herstellung VOll Oberfläche-Dessinierungen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur IIerstellung von Ob erflachen- De s sini erungen, -Verzierungen,
- B e s chrif tungen an Werkstücken bzw. Gegenständen, wie z.13. aus Metall oder
Keramik bestehenden Formkörpern, Profilen und ähnlichem.
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Bei einer Vielzahl von Verwendungszwecken für aus der Stahl-bzw. Metallproduktion
stammende Erzeugnisse, z.U. für Walzprodukte in Form von Netallblechen, ist es erwünscht,
daß die Oberflächen derartiger Produkte mit irgendwelchen optisch effektvollen Dessinierungen,
Reliefformen, ornamentalen Gebilden und dgl. mehr versehen werden. Die Erzeugung
solcher Oberflächen-Dessinierungen wird gemäß dem Stand der Technik unter anderem
durch Kaltverformung der betreffenden Oberflächen mittels äußerst kostspieliger
Anlagen durchgeführt, insbesondere durch Prägen, Pressen oder Walzen. Bei ents-I)recjieliden,
mit Ilartmetall-Prägewalzen ausgestatteten Walza@l lagen werden, um die beim Kal
tverformungsverfahren erforlerlichen hohen Drücke hervorrufen zu können, beispielsweise
die bekannten Sendzimir-Walzen verwendet. Diese Walzen besitzen jedoch nur relativ
geringe Durchmesser, so daß sich für die Dessinierungs-Muster entsprechend kurze
Rapporte ergeben.
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Die bekannten mechanischen Formgebungs- bzw. Dessinierungsmethoden
haben darüber hinaus zur Folge, daß in dem bearbeiteten Material unter Umständen
erhebliche Inhomogenitäten entstehen, so daß etwa eine nachträgliche Weiterverarbeitung
des dessinierten Produkts beispielsweise durch Pressen oder Tiefziehen zu Materialrissen
oder ähnlichen-Fehlern führen kann.
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Hinzu kommt, daß durch Kaltverformung bedingte Aufhärtungen des Werkstoffs,
die sich insbesondere an eingeprägten Stufen konzentrieren können, die weitere Bearbeitung
des Gegenstands bis zur Fertigproduktstufe sehr beeinträchtigen können oder aber
das Verhalten beispielsweise von Stahl hinsichtlich Korrosionsanfälligkeit, Verspannung
usw. sehr ungünstig beeinflussen.
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Es sind weiterhin chemische oder elektrochemische Methoden zur Herstellung
von Dessinierungen auf Metalloberflächen bereits bekannt. Bei derartigen Verfahren
treten zwar die Schwierigkeiten, wie sie sich beim Dessinieren durch Kaltverformen
ergeben, nicht auf, doch konnten sie andererseits infolge des damit verbundenen
beträchtlichen Arbeits- und Kostenaufwands zu keiner größeren industriellen Bedeutung
gelangen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben geschilderten
Nachteile der bekannten Verfahren zum Dessinieren und Verzieren von Metalloberflächen
zu vermeiden und ein neues Verfahren anzugeben, dessen praktischer Einsatz einmal
in wirtschaftlicher Hinsicht wesentliche Vorteile einbringt, das auch die bisher
nicht oder höchstens unter kostenmäßig kaum vertretbarem Aufwand mögliche Erzeugung
von Oberflächen-Dessinierungen an Formkörpern, Profilen oder dgl. erlaubt und das
ferner ohne Schwierigkeiten das Aufbringen jedes beiiebigen Dessinierungsmusters
auf Oberflächen von Werkstücken bzw. Gegenständen aus Metall bzw. Keramik ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bei einem Yer-iallren der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Oberfl.ächen-Dessinierungen, -Versierungen,
-Beschriftlmgen oder dgl. durch eine thermische Bearbeitung der jeweiligell Oberfläche
mittels wenigstens eines Energiestrahls erzeugt werden, wobei eine beliebige Dessinierungsvorlage
oder dgl. dadurch eine entsprechende Steuerung der Bearbeitungsparameter des Energiestrahls
auf die Oberfläche des Werkstücks bzw. Gegenstands übertragen wird.
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Die Oberflächenbearbeitung erfolgt hierbei vorzugsweise durch kurzzeitiges
Aufschmelzen einer dünnen Oberflächenschicht an den durch die jeweilige Dessinierungsvorlage
oder dgl. vorbestimmten Stellen bzw. Bereichen der Oberfläche des Werkstücks bzw.
Gegenstands.
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Infolge eines derartigen kurzzeitigen Aufschmelzens der durch den
Energiestrahl beaufschlagten Oberflächenstellen bzw. -Bereiche mit anschließender
Wiedererstarrung der aufgeschmolzenen Metarialschicht, wobei Fokussierungszustand,
Leistungsdichte und dgl. Energiestrahl-Parameter insbesondere so gesteuert bzw.
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eingestellt werden, daß die beabsichtigte thermische Beeinflussung
der Oberfläche bei einmaligen Abrastern der gesamten Oberfläche durch den Energiestralll
erreicht wird, ergeben sich lokale Veränderungen in der Oberflächenstruktur des
Werkstücks bzw, Gegenstands, die ihrerseits für die erwünschten optischen Effekte,
wie z.B. verändertes Reflexionsverhalten für auf die Oberfläche auffall eiides Licht,
verantwortlich sind.
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Eine weitere, im Rahmen der Erfindung liegende und in vielen Anwendungsfällen
vorteilhafte Möglichkeit der Oberflächenbearzeitung besteht darin, daß eine gewisse
materialabtragende Bearbeitung an den durch die Dessinierungsvorlage oder dgl. vorbestimmten
Stellen oder Bereichen der Oberfläche des Werkstücks bzw. Gegenstands durchgeführt
wird. Im letzteren Falle werden
die Bearbeitungsparameter des Energiestrahls
in der Weise gesteuert bzw. eingestellt, daß eine dünne Materialschicht verdampft
und damit abgetragen wird, so daß eine der jeweiligen Dessinierungsvorlage entsprechende
Veränderung der Oberflächenform bewirkt und damit ebenfalls das Dessinierungsmuster
auf die Oberfläche des Werkstücks bzw. Gegenstands übertragen wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die zu
dessinierende Oberfläche eines Werkstücks bzw. Gegenstands durcll einen impulsförmig
gesteuerten Energiestrahl abgerastert. Mit Hilfe eines intermittierend auf die zu
dessinierende Oberfläche einwirkenden Energiestralils läßt sich in vielen Fällen
die Bearbeitungsgeschwindigkeit noch erhöhen.
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Der bearbeitende Energiestrahl wird hierbei vorzugsweise nach Maßgabe
eines Linienrasters über die zu dessinierende Oberfläche geführt.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene, unter Anwendung wenigstens eines
Energiestrahls durchzuführende Verfahren zur Erzeugung von Oberflächen-Dessinierungen
besitzt u.a. auch den wesentlichen Vorteil, daß ein Energiestrahl, z.B. ein Ladungsträgerstrahl,
ein praktisch trägheitslos steuerbares Werkzeug darstellt, das in vorzüglicher Weise
für die Beaufschlagung mit den in der modernen elektronischen Datenverarbeitungstechnik
erzielbaren hohen Steuergeschwindigkeiten geeignet ist. Es ist daher gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung ohne weiteres möglich, daß die Steuerung des bearbeitenden
Energiestrahls nach Maßgabe einer durch die jeweilige Dessinierungsvorlage oder
dgl. vorgegebenen Programnierung erfolgt. Zu diesem Zweck wird die Dessinierungsvorlage
mit Hilfe eines üblichen elektrooptischen Rasterverfahrens abgetastet und die der
jeweiligen Dessinierungsform entsprechenden Abtastsignale werden elektronisch oder
magnetisch gespeichert. Bei der eigentlichen Bearbeitung der zu dessinierenden Oberfläche
mittels wenigstens
eines Energiestrahls wirtl daiin dieser Energiestrahl
durch die aus dem Speicher abgerufenen elektronischen Signale unmittelbar angesteuert.
Auf diese Weise i£ cs möglich, eine praktisch unbegrenzte Anzahl von Dessinierungs-
oder auch Beschriftungsvorlagen zu programmieren tind je nach Produkt und dem im
Einzelfalle hierfür gewünschten Dessinierungsmuster oder dgl. die entsprechende
thermische Bearbeitung der Oberfläche nach Maßgabe des ausgewählten Dessinierungsprogramms
zu steuern. Ferner ist ein müheloser Wechsel der Dessinierungsprogramme möglich.
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Ganz besondere Dessinierungseffekte lassen sich gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung dann erzielen, wenn die Einfallsrichtung des bearbeitenden Energiestrahls
auf die zu dessinierende Oberfläche einen vorgegebenen Winkel mit der Oberflächennormalen
einschließt. Diese Maßnahme wird vorallem dann zu vorteilhaften Effekten führen,
wemi eine gewisse abtragende Oberflächenbearbeitung durchgeführt wird, wobei mit-tels
eines impulsförmig gesteuerten Energiestrahls je nach Dessinierungsvorlage punkt-
und/oder strichförmige Einkerbungen auf der zu dessinierenden Oberfliiclie gebildet
werden.
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Aufgrund der vorgegebenen schrägen Einfall sri clitung des bearbeitenden
Energiestrahle besitzen die hierdurch erzeugten Einkerbungen gegenüber der unbearbeiteten,
glatten Oberfläche unterschiedliche Reflexionsrichtungen für das auffalende Licht,
so daß hierdurch vielseitige optische Effekte hervorgerufen werden kniien.
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Weitere vorteilhafte Dessinierungseffekte ergeben sich dadurch, daß
die Einfal lsri chtung des bearbeitenden Energiestrahls auf die zu dessinierende
Oberfläche während des Abrasterns dieser Oberfläche variiert wird. Im le-tzteren
Falle können verschiedene Oberflächenbereiche mit jeweils unterschiedlichen Reflexionsrichtungen
für auffallendes Licht gebildet werden.
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Darüber hinaus lassen sich Veränderungen der Reflexionseigen schaften
der zu dessinierenden Oberflächen und dgl. optische Effekte auch dadurch hervorbringen,
daß ein oder mehrere Bearbeitungsparameter des Energiestrahls, wie z.B. Leistungsdichte,
Fokussierungszustand, Impulsfrequenz und dgl. während der Oberflächenbearbeitung
variiert werden.
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Es kann weiterhin zu sehr effektvollen Ergebnissen führen, wenn die
Einfallsrichtung und/oder die Bearbeitungsparameter des Energiestrahls während der
Oberflächenbearbeitung periodisch variiert werden.
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Sollte in verschiedenen speziellen Anwendungsfällen eine materialabtragende
Bearbeitung der zu dessinierenden Oberfläche nicht erwünscht sein, so besteht die
Möglichkeit, die Bearbeitungsparameter des Energiestrahls in der Weise einzustellen,
daß während des Abrasterns der Oberfläche lediglich ein kurzzeitiges Aufschmelzen
an punktförmigen und/oder liniawbzw. strichförmigen Stellen bzw. Bereichen dieser
Oberfläche stattfindet. Die nach der vorliegenden Erfindung auf die Oberfläche übertragene
Dessinierungsvorlage oder dergleichen setzt sich in derartigen Bearbeitungsfällen
aus einer großen Anzahl von an den entsprechenden Oberflächenbereichen erzeugten
Schmelzlinien und/oder Schmelzpunkten zusammen.
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Es ist oft auch erwünscht, Gegenstände mit komplizierteren Oberflächenformen,
beispielsweise rohrförmige oder ähnlich geformte Körper, mit Oberflächendessinierungen
zu versehen. Solche Oberflächen lassen sich ebenfalls in sehr günstiger Weise unter
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens behandeln. Es kann hierbei zweckmäßig
sein, wenn gemäß weiterer Ausgestaltung der Erfindung während der Bearbeitung derartiger
Oberflächen eine zusatzliche Umlenkung des Energiestrahls und/oder eine zusätzliche
Bewegung
des Gegenstands relativ zum Energiestrahl erzeugt werden. In manchen Anwendungsfällen
kann das erwünschte Bearbeitungsergebnis, etwa eine homogene Dessinierung der gesamten
Oberfläche eines rotationssyinmetrischen Metallkörpers bereits dadurch erzielt werden,
daß der Metallkörper in Rotation um seine Synimetrie-Achse versetzt wird, wobei
diese Rotationsachse senkrecht zur Richtung des bearbeitenden Energiestrahls verlaufen
kann.
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Hierbei kann es indes genügen, daß der Energiestrahl gleichzeitig
nur in einer Koordinatenrichtung abgelenkt wird, während es andererseits aber auch
Fälle geben kann, in denen es zufolge zusätzlicher Formeigenschaften des zu behandelnden
Gegenstands erforderlich ist, den Energiestrahl während der Bearbeitung in wenigstens
eine zweite Ebene umzulenken, die gegenüber einer ersten, beispielsweise waagrechten
Bearbeitungsebene unter irgendeinem beliebigen Winkel geneigt ist, um bestimmte
Oberflächenstellen oder -bereiche des Gegenstand erreichen zu können.
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Es kann ferner zur Erzielung gewisser Dessinierungseffekte recht vorteilhaft
sein, während der Oberflächenbearbeitung eine vibrierende Bewegung des Gegenstands
hervorzurufen, vorzugsweise in einer zur Richtung des bearbeitenden Energiestrahls
parallelen Ebene. Das aufgeschmolzene Material wird hierbei infolge der Einwirkung
von Trägheitskräften wenigstens teilweise in eine geringfügig über der Oberfläche
befindliche Lage gebracht und kommt dann dort unmittelbar danach zur Wiedererstarrung,
so daß diese Oberfläche je nach Verteilung der einzelnen Bearbeitungsstellen mehr
oder weniger als mit kleinen Materialaufwürfen übersät erscheint.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich im übrigen mit ganz besonderem
Vorteil unter Anwendung eines Elektronenstrahls als bearbeitendem Energiestrahl
realisieren. Da die besonderen Vorzüge des Elektronenstrahls, insbesondere seine
leichte Ab- bzw.
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Umlenkbarkeit (wodurch z.B. beliebige Oberflächenformen bei entsprechender
Strahllenkung bearbeitet werden können), die einfache Dosierbarkeit seiner Energie
und dgl. mehr, aus soiner Anwendung bei anderen Materialbearbeitungsverfahren der
Fachwelt hinreichend bekannt sind, kann hier auf eine Einzelerörterung der durch
den Elektronenstrahl als thermischem Werkzeug gebotenen Möglichkeiten verzichtet
werden.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung dienen die Zeichnungen.
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Im Rahmen von Ausführungsbeispielen zeigen: Fig. 1 eine schematische
Darstellung einer Anordnung zur Erzeugung, Bündelung und Ablenkung eines Elektronenstrahls,
der zum Dessinieren der Oberfläche eines Bleches aus Chrom-Nickel-Stahl verwendet
wird, Fig. 2 einen Schnitt durch eine Metallplatte, deren Oberfläche eine Dessinierung
durch materialabtragende Bearbeitung mittels eines Elektronenstrahls erhalten hat,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der gemäß Fig. 2 oberflächen-dessinierten Platte
und die Fig. 4 weitere Beispiele für nach dem erfindungsgemäßen Verbis Fig. 7 fahren
hergestellte Oberflächenverzierungen.
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Aus Fig. 1 ist ein rechteckiges, aus Chrom-Nickel-Stahl bestehendes
Blechstück 1 ersichtlich, auf dessen Oberfläche eine Dessinierung durch thermische
Bearbeitung mittels eines Elektronenstrahls aufgebracht wird. Der bearbeitende Elektronenstrahl
4 wird durch ein System 3 erzeugt, das im wesentlichen aus einer auf Hochspannungspotential
liegenden Glühelektronen-Emissionskatode 3 und einer auf Erdpotential befindlichen,
durchbohrten
Anode besteht. Der durch die zwischen Katode und Anode
gebildete Beschleunigungsstrecke beschleunigte und durch die Miedenbohrung aus dem
System 3 heraustretende Elektronenstrahl 4 wird anschließend mit Hilfe einer Fokussierungslinse
5 scharf gebündelt, wobei die zu bearbeitende Oberfläche des Bleches 1 in geeignetem
Abstand unterhalb des Elektronenstrahlgenerators angeordnet ist, so daß der Fokus
des Elektronenstrahls 4 genau auf dieser Oberfläche liegt. Bei einer Beschleunigungsspannung
von 150 kV beträgt der Strahlstrom ca. 30 mA, so daß der Elektronenstrahl 4 mit
einer Leistungsdichte von 3 . 105 W/cm2 auf die Blechoberfläche auftrifft. Um eine
linienförmige Abrasterung der gesamten Blechoberfläche mittels des Elektronenstrahls
4 durchführen zu können, sind unterhalb der Fokussierungslinse 5 Ablenkspulen 6
-vorgesehen. Die entsprechenden elektrischen Ströme zur Beaufschlagung der Ablenkspulen
6 werden durch ein schematisch dargestelltes Gerät 7 erzeugt, das gleichzeitig einen
Pulsgenerator zur Ansteuerung des Elektronenstrahlerzeugungssystems 3 enthält, so
daß ferner die für die Oberflächenbearbeitung erforderlichen Impulsformen gebildet
werden können. Das Gerät 7 ist an einen Computer 8 angeschlossen, durch den das
Gerät 7 mit den für die Steuerung der Bearbeitungsparameter des Elektronenstrahls
4 notwendigen elektronischen Signal en beaufschlagt werden kamm, wobei vorausgesetzt
wird, daß das auf die Blechoberfläche zu übertragende Dessinierungsmuster in Form
einer entsprechenden Programmierung im Computer 8 zur Verfügung steht.
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Bei den zu steuernden Bearbeitungsparametern des Elektronenstrahls
handelt es sich hauptsächlich um dessen Leistungsdichte, um die Inlpulsform und
-frequenz und die Abrastergeschwindigkeit.
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Die thermische Bearbeitung der Blechoberfläche erfolgt im vorliegezlden
Ausführungsbeispiel durch kurzzeitiges Aufschmelzen einer sehr dünnen Oberflächenschicht
an linienförmig verlaufenden Stellen dieser Oberfläche; wobei die Schmelzlinien
in Folge der oben erwähnten Steuerung des Elektronenstrahls jeweils nur innerhalb
kreisförmig
umrandeter Bereiche 2 der Blechoberflache er zeugt werden, wie aus der Fig. 1 ersichtlich
ist. Die gestrichelt gezeichneten Umrandungen sind selbstverständlich auf der zu
dessinierenden Oberfläche des Bleches 1 nicht tatsächlich vorhanden, sondern dienen
lediglich zur Vermittlung eines Gesamteindrucks über das auf die Blechoberfläche
zu übertragende Dessinierungsmuster.
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Ein Ausführungsbeispiel für die Möglichkeit, eine Dessinierung einer
Metalloberfläche durch eine materialabtragende Bearbeitung dieser Oberfläche mittels
eines Elektronenstrahls zu erzeugen, geht aus den Fig. 2 und 3 hervor. Die in Fig.
3 perspektivisch dargestellte, bereits fertig bearbeitete Platte 12 besitzt eine
Oberflächendessinierung, die aus einer großen Anzahl von parallel zueinander und
linienförmig verlaufenden Ausnehlnungen geringer Tiefe zusammengesetzt ist, wodurch
die gesamte Platten-Oberfläche eine gewisse Reliefform aufweist.
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Die Besonderheit dieser Dessinierungsform besteht nun darin, daß sie
infolge während der Oberflächenbearbeitung systematisch variierter, jeweils unter
einem von 90° abweichenden Winkel schräg zur Plattenoberfläche verlaufender Einfallsrichtungen
des Elektronenstrahls in der Weise strukturiert ist, daß die entsprechenden hierbei
gebildeten Dessinierungsbereiche durch jeweils unterschiedliche Reflexionsrichtungen
für auf die Plattenoberfläche auffallendes Licht gekennzeichnet sind. Dieser Effekt
läßt sich anhand der Fig. 2 noch verdeutlichen, in der im vergrößerten Naßstab eine
Schnittansicht der oberflächlich mit den Dessinierungsausnehmungen versehenen Platte
12 dargestellt ist, wodurch die Querschnittsform zweier Gruppen von je 5 senkrecht
zur Zeichenebene verlaufender Ausnehmungen 13 und 14 ersichtlich werden.
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Nimmt man an, daß auf die Oberfläche der Platte 12 ein paralleles
Lichtbündel 9 auftrifft, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist, so werden die auf
die gegenüber der Oberfläche geneigten Reflexionsflächen der die linke Gruppe bildenden
Ausnehmungen 13 auftreffenden Strahlen jeweils unter einem Winkel a1 reflektiert
(Pfeile 10)} während die auf die in anderer Weise gegenüber der Oberfläche geneigten
Reflexionsflächen der zur rechten Gruppe gehörenden Ausnehmungen 14 auftreffenden
Strahlen jeweils unter einem Winkel a2 (Pfeile 11) reflektiert werden. Da solche
Ausnehmungsgruppen mit jeweils unterschiedlichen Reflexionsrichtungen insbesondere
paarweise nebeneinander angeordnet werden, wie es z.B. in Fig. 3 gezeigt ist, ergeben
sich je nachdem, unter welcher Perspektive eine solche Oberfläche betrachtet wird,
entsprechend variable optische Eindrücke. Derartige Dessinierungseffekte, die in
vielen Anwendungsfällen, z.B. in der Architektur, sehr geschätzt werden, sind mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens praktisch mühelos realisierbar.
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In den Fig. 4 bis 7 sind in Form vqn Fotografien lediglich einige
mögliche Oberflächendessinierungen wiedergegeben, die unter Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens auf Oberflächen von Metallblechen hergestellt worden sind.
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Das Dessinierungsmuster gemäß Fig. 4 entspricht dem bereits in Fig.
1 näher beschriebenen, während Fig. 5 eine nach Maßgabe eines einfachen Linienrasters
erzeugte, optisch jedoch recht effektvolle Oberflächen-Strukturierung darstellt.
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Die Fig. 6 und 7 zeigen Beispiele für durch beliebige Spiralführungen
eines Elektronenstrahls hervorgerufene, sehr eindrucksvolle rosettenartige Dessins.
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Es bleibt noch zu erwähnen, daß mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
anstelle der im obigen ausführlich beschriebenen
Dessinierungen
bei entsprechender Steuerung des Energiestrahlt auch Oberflächenbeschriftungen hergestellt
werden können, ggf.
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auch zusätzlich zu Dessinierungen.
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Bevorzugte An-wendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergeben sich im übrigen beim Dessinieren der Oberflächen von Walzprodukten, wie
z.B. von Metallblechen aus Chrom-Nickel-Stahl, Platin-Stahi, Aluminium und dgl.
mehr. Hierbei können ohne weiteres kontinuierliche Bänder bearbeitet werden, die
über in bekannter Weise ausgebildete Druckschleusensysterrein eine evakuierte Bearbeitungskammer
einer El ektronenstrahl anlage eingeschleust bzw. aus dieser Kammer herausgeleitet
werden. Sollen relativ breite Netallbänder dessiniert werden, so besteht die Möglichkeit
der Verwendung mehrerer Elektronenstrahlen innerhalb einer Bearbeitungskammer, wobei
gleichzeitig hohe Durchlaufgeschwindigkeiten gewährleistet werden können.
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Als ein weiterer bevorzugter Anwendungsbereich für das erfindungsgemäße
Verfahren ist noch das Dessinieren von Formkörpern aller Art, von Pressprofilen,
insbesondere stranggepressten Profilen, anzuführen, für die beispielsweise in der
Architektur für in Netallbauweise ausgeführte Fassaden-, Tiir- oder Fensterkonstruktionen
oder ähnliches heutzutage ein bedeutender Bedarf besteht.
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- Patentansprüche -