DE2808933C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines perforierten Hohlzylinders von selbsttragender Wandstärke durch elektrolytische Ablagerung von Nickel auf einer an­ schließend entfernbaren zylindrischen Metallmatrize, wobei diese vor dem elektrolytischen Ablagerungsvorgang durch Auftragen einer lichtempfindlichen Harzschicht sensibili­ siert wird, ein Raster oder Muster auf diese Harzschicht kopiert wird und die belichtete Harzschicht fotografisch entwickelt wird.

Es ist bekannt, wie man durch elektrolytische Ablagerung eine dicke Metallschicht auf einer leitenden zylindrischen Matrize herstellen kann. Die Stärke dieser Schicht ist prak­ tisch unbegrenzt, solange es sich um einen festhaftenden und gleichmäßigen Überzug handelt. Dies ist der Fall, wenn es darum geht, den Durchmesser einer zylindrischen Matrize durch Beschichtung zu vergrößern.

Dagegen tauchen schwer überwindbare Probleme bei der Her­ stellung eines perforierten Hohlzylinders durch elektrolyti­ sche Ablagerung (galvanische Abscheidung) auf. Bekannt sind Verfahren zur Sensibilisierung einer Matrize mit Hilfe einer lichtempfindlichen Harzschicht, auf der durch foto­ grafische Belichtung ein Raster reproduziert wird, worauf­ hin die Schicht entwickelt wird. Die unbelichteten Flächen­ bereiche werden von der Schicht befreit, und die Metall­ fläche der Matrize wird in diesen Bereichen bloßgelegt, während die lichtempfindliche Schicht in den belichteten Bereichen haften bleibt, wo sie eine isolierende Schutz­ schicht sowohl gegen chemische als auch gegen elektrische Einflüsse darstellt. Die elektrolytische Ablagerung auf einer so behandelten Matrize ist, theoretisch betrachtet, oft von großem Nutzen. Sie ermöglicht nämlich die Herstel­ lung eines nahtlosen Hohlzylinders (im Gegensatz zu aufge­ wickelten Folien). In der Praxis ist dieses elektrolytische Verfahren jedoch infolge von beim jetzigen Stand der Tech­ nik unüberwindbaren Schwierigkeiten kaum entwickelt. Außer der oft unsicheren und mit der Dauer des Ablagerungsprozes­ ses abnehmenden Haftung der Schutzschicht in einem elektro­ lytischen Bad bestehen diese Schwierigkeiten im wesentli­ chen darin:

• - Veränderung der Konturen und besonders Verringerung des Öffnungsquerschnitts der Rasterpunkte sowie folglich der Perforierungen bei zunehmender Dicke der Ablagerung - diese Wirkung wird hauptsächlich durch den "Spitzen­ effekt" des elektrischen Stroms verursacht -;
• - Schwierigkeiten beim Entformen des Zylinders, d. h. des­ sen Trennung von der Matrize - um ein einwandfreies Entformen zu ermöglichen, müssen die Flexibilität der Ablagerung, die Länge der Matrize und die Stärke der abgelagerten Schicht so sein, daß sich der Zylinder ela­ stisch verformen und auf diese Weise von der Matrize abheben läßt.

Beim augenblicklichen Stand der Technik läßt sich ein per­ forierter Zylinder auf elektrolytischem Wege nur als dünne Folie herstellen, die kaum stärker als die lichtempfind­ liche Harzschicht ist. Wenn man die Dicke der Ablagerung vergrößert, verändert sich das Rastermuster für die Perfo­ rierungen schnell und ungleichmäßig, die Löcher verstopfen, und es ist praktisch unmöglich, den immer steifer werdenden Hohlzylinder von der Form zu trennen. Die Forderung an die Entformbarkeit begrenzt somit erheblich die Länge des Zylin­ ders. Die Anwendung der meisten bekannten Verfahren be­ schränkt sich deshalb auf die Herstellung von Zylindern zum Drucken. Die Dünne der Wände (maximal 0,2 mm), der ge­ ringe Flächenanteil der Perforierungen (maximal 10% der Gesamtfläche) und die Größe des Rasters ermöglichen es nicht, das elektrolytisch niedergeschlagene Metall längeren Belastungen auszusetzen, und auch nicht, feine Reproduktio­ nen in der Art einer Heliogravur zu erhalten.

Zur Vermeidung eines Zuwachsens der Löcher bei der elektro­ lytischen Herstellung von perforierten Metallfolien größe­ rer Wandstärke ist es auch bereits bekannt (DD-PS 1 30 013), nach der Entwicklung der fotoempfindlichen Harzschicht ver­ bleibenden Teile aufzuquellen und die elektrolytische Ab­ lagerung beim oder nach dem Quellvorgang vorzunehmen. Hier­ durch sollen sich Wandstärken von 0,06 bis 0,4 mm für Scha­ blonen auch für den Rotationsschablonendruck erreichen las­ sen. Wie perforierte Hohlzylinder von so großer Wandstärke von der zylindrischen Matrize abgehoben werden, wird jedoch nicht angegeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben aufgezeigten Nachteile zu ver­ meiden und die Herstellung von Hohlzylindern von selbst­ tragener Wandstärke aus Nickel durch elektrolytische Ab­ lagerung zu ermöglichen, die auf ihrer Oberfläche ganz oder auch nur partiell perforiert sind, aus einer dicken Wandung bestehen und durch elektrolytische Ablagerung auf einer Matrize hergestellt werden können, von der sie dann wieder abgenommen werden.

Ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Umriß und die Dichte der Rasterpunkte, die Behandlung des Harzes und der Matrize und die Bedingungen für die elektrolytische Ablagerung in Abhängigkeit von der mehrere Zehntelmillime­ ter betragenden Wandstärke, die ohne wesentliche Verformung der Rasterpunkte, d. h. der Perforierungen, erhalten wer­ den soll, derart ausgewählt werden, daß diese Bedingungen anschließend eine Trennung des relativ dickwandigen Hohl­ zylinders von der Matrize ohne dauerhafte Verformung unter Ausnutzung der durch diese Bedingungen erzeugten inneren Druckspannungen (Dehnungsspannungen) in dem auf der Metall­ oberfläche der Matrize abgelagerten Metall gestatten, und daß der elektrolytisch abgelagerte Zylinder dadurch von der Oberfläche der Matrize entformt wird, daß er in einem schmalen Randbereich auf dem ganzen Umfang abgehoben wird, um die inneren Spannungen der Ablagerung freizusetzen, de­ ren Dehnungswirkung sich als Abhebewelle ausbreitet.

Nach einem ersten Merkmal zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Größe und Richtung der inneren Spannungen der elektrolytischen Ablagerung ständig dahin­ gehend kontrolliert, daß sie in einem Bereich zwischen einem Maximalwert, der ein Abheben während des Ablagerungs­ vorganges verursacht, und einem Minimalwert verbleiben, der ein Entformen ohne plastische Verformung und Beschädi­ gung des Hohlzylinders unmöglich macht.

Der Vorgang der Passivierung der sensibilierten, kopierten und entwickelten Matrize bewirkt, daß die Haftung zwischen den Metallen der Matrize und der Ablagerung so klein wie möglich gehalten wird.

Ein weiteres Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung sieht vor, daß die Richtung und Größe der inneren Druckspannungen in dem abgelagerten Metall durch Vergleich mit Spannungen, die unter gleichen Betriebsbedingungen in einem Metallele­ ment eines vorher geeichten Geräts entstehen, kontrolliert, gemessen und eingestellt werden. Diese Vorrichtung wird unter für die elektrolytische Ablagerung genau bestimmten Bedingungen geeicht, und zwar durch Ablagern einer Metall­ schicht auf einem Stahlstreifen, dessen Reaktion auf die inneren Spannungen vorherbestimmt wurde. Vorrichtungen hier­ für sind bekannt.

Ebenso wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Stromdichte während der ganzen Dauer der dickwandigen Ab­ lagerung konstant gehalten, indem zur Bestimmung der An­ fangsstromstärke zunächst die leitende Oberfläche nach dem Entwicklungsvorgang berechnet und dann die Stromstärke re­ gelmäßig in dem Ausmaß nachgeregelt wird, in dem die Fläche der Ablagerung durch zunehmende Überdeckung des Harzes sich von dem Zeitpunkt an vergrößert, in welchem die Dicke des abgelagerten Metalls größer wird als die des isolierenden Harzes, das die Matrize in den den gewünschten Perforierun­ gen entsprechenden Bereichen überdeckt.

Noch ein weiteres Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung sieht vor, daß die Ausbreitung der Abhebewelle zum Ablösen der dicken hohlzylindrischen Schicht dadurch gefördert wird, daß ein Körper aus elastischem Material auf der Außenseite des Hohl­ zylinders abgerollt und voranbewegt wird, woraufhin der Hohlzylinder durch axiales Abgleiten von der Matrize abge- zogen wird.

Die Wandstärke des Zylinders verändert die Oberfläche und die Genauigkeit der ursprünglichen Konturen der durch den fotografischen Raster bestimmten Löcher oder Perforierun­ gen. Die Merkmale des Rasters werden deshalb in Abhängig­ keit von der gewünschten Ablagerung und besonders von der Endstärke ausgewählt, wobei der Raster von einem herkömm­ lichen Raster auf fotografischem Wege hergestellt wird. Jedesmal wird also für einen bestimmten Zylinder ein be­ sonderer Raster angefertigt, der durch den Umriß des Raster­ punktes, die Anzahl der Punkte pro Quadratzentimeter und die Breite der Stege zwischen zwei nebeneinanderliegenden Rasterpunkten bestimmt ist.

In diesem Zusammenhang wird mit Vorteil in bekannter Weise (DD-PS 1 30 013) ein Raster verwendet, dessen Punkte einen sechseckigen Umriß aufweisen, um Stege von praktisch kon­ stanter Breite zu erhalten. Die Breite zwischen den Ecken der Rasterpunkte ist kaum größer als die der Stege, während der Eckenwinkel zwischen zwei benachbarten Seiten eines sechseckigen Rasterpunktes größer ist als der Eckenwinkel eines quadratischen Punktes. Dadurch entsteht eine Ablage­ rung, bei welcher der Spitzeneffekt des elektrischen Stro­ mes auf ein Minimum beschränkt ist.

Die Widerstandseigenschaften der Harzschicht werden durch eine gleichmäßige thermische Behandlung auf dessen ganzer Fläche verbessert. Auf diese Weise verbessert man solche Eigenschaften wie die elektrische Isolation, den Widerstand gegen chemische Einflüsse und die Haftung zwischen Matrize und Harz, so daß eine dicke elektrolytische Ablagerung her­ gestellt werden kann, ohne auf die Festigkeit des in einem elektrolytischen Bad eingetauchten Harzes, die Eintauch­ dauer oder die Stromdichte achten zu müssen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend in seiner wesentlichen Abfolge anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte Teilansicht eines Ra­ sters zum Kopieren auf eine zylindri­ sche Matrize bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines dickwandigen Zylin­ ders aus Nickel durch elektrolytische Ablagerung,

Fig. 2, 3 und 4 Längsschnitte durch die Matrize während der aufeinanderfolgenden Stufen der Vorbereitung und der fotografischen Reproduktion des Rasters auf die licht­ empfindliche Harzschicht,

Fig. 5 eine vereinfachte Darstellung des elek­ trolytischen Bades für die Ablagerung der Nickelschicht auf den nicht isolier­ ten Flächen der Matrize,

Fig. 6 in perspektivischer und vergrößerter Darstellung einen Teil der auf der zy­ lindrischen Fläche der Matrize erhalte­ nen Ablagerung,

Fig. 7 und 8 im Schnitt die Entwicklung der Struk­ tur der elektrolytischen Nickelablage­ rung mit Zunahme ihrer Dicke,

Fig. 9 in vergrößerter Darstellung eine Innen­ ansicht einer Perforierung, die einem anfänglich sechseckigen Rasterpunkt entspricht,

Fig. 10, 11 und 12 in schematischer Darstellung das Entformen des dickwandigen Hohlzylinders durch Aufweitung im Verhältnis zur Matrize,

Fig. 13 die schematische, perspektivische Dar­ stellung eines Spannungsmessers zum Kontrollieren der inneren Druckspannun­ gen des abgelagerten Metalls und

Fig. 14 die Anwendung dieses Spannungsmessers in einem elektrolytischen Bad zur Fest­ legung der optimalen Bedingungen für die elektrolytische Ablagerung.

Das nachstehend beschriebene Verfahren dient der Herstel­ lung eines dickwandigen perforierten Hohlzylinders, der durch elektrolytische Ablagerung von Nickel in einem leiten­ den Bad hergestellt wird, welches von elektrischem Strom durchflossen wird und unter genau festgelegten Bedingungen arbeitet.

Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens folgen die nachstehenden Vorgänge aufeinander:

1. Herstellung des Rasters

• a) Durch ein normales fotografisches Verfahren wird ein Raster 1 (Fig. 1), bestehend aus einem flexiblen durchsichtigen Träger 2 von konstanten Abmessungen hergestellt, der von einer lichtempfindlichen Harz­ schicht bedeckt ist, auf die der Raster reproduziert wird. Der Raster wird durch ein Netz von Rasterpunkten 3 gebildet, die einen sechseckigen Umriß 4 aufweisen.
• b) Die Wahl dieses Rasters ist nicht zufällig. Ihr ist eine Untersuchung vorausgegangen, welche die Wandstärke 5 des gewünschten Zylinders 6 (Fig. 12), die Eigen­ schaften der Perforierungen 7 des Zylinders (Fig. 9) und die Art der Verwendung berücksichtigt, für welche der Zylinder 6 bestimmt ist. Beispielsweise für einen Hohlzylinder zur Herstellung eines dicken Überzugs in gleichmäßiger Bedeckung auf einer Fläche wird der Raster 1 zunächst von der Anzahl der Rasterpunkte 3 pro Flächeneinheit, der Fläche oder Weite 8 jedes einzelnen Punktes und dem Abstand zwischen zwei be­ nachbarten Punkten definiert. Dieser Abstand ist durch die Breite 9 des Steges 10 zwischen den benach­ barten Seiten zweier Sechseck-Punkte 3 bestimmt (Fig. 1).
  Diese Maße werden so errechnet, daß das Überzugsmate­ rial (ein flüssiges oder pastenförmiges Vinylharzge­ misch) eine gleichmäßige Schicht auf dem Träger bil­ det, nachdem es durch den perforierten Zylinder hin­ durchgetreten ist und bevor es geliert hat. Die Größe und Form der Rasterpunkte, welche die Löcher des Zylinders bilden, werden je nach der Wandstärke verändert. Es ist nämlich bekannt, daß eine elektro­ lytische Ablagerung unvermeidlich mit einem Spitzen­ effekt verbunden ist, der durch eine unregelmäßige Verteilung des magnetischen Feldes verursacht wird.
  Die Perforierungen 7 der Metallablagerung sind ver­ formte Abbilder der Rasterpunkte 3 (Fig. 7). Diese Verformung ändert sich mit der Dicke der Ablagerung infolge der Überdeckung der den Rasterpunkten ent­ sprechenden Isolierflächen, sobald die Metallablage­ rung bezüglich ihrer Dicke stärker als die isolieren­ de Harzschicht wird.
• c) Ein Rasterfilm kann ein oder mehrere Muster oder Formen von Rasterpunkten haben. Nach Festlegung all dieser Eigenschaften wird ein Raster auf der Matrize 11 mit genau denselben Maßen hergestellt, wie sie das Negativbild der vom Film getragenen Rasterzeichnung aufweist.
  Im Falle von sechseckigen Rasterpunkten (Fig. 1) sind die Radien 13 in den Eckenbereichen 12 zwischen den Rasterpunkten gleich der Hälfte der Breite 9 des Steges 10, multipliziert mit 2/√, während der Eckenwinkel jedes Rasterpunktes 3 120° beträgt. Es ist ersichtlich, daß die Breite der streifenförmigen Ablagerungen, die von den Stegen 10 zwischen den Punkten 3 gebildet sind, regelmäßiger ist als mit einem klassischen Raster mit quadratischen Punkten (in diesem Fall wäre der Abstand 13 gleich der halben Brei­ te des Steges, multipliziert mit √).
  Die Verformung der Winkel ist nicht so groß wie im Fall quadratischer Rasterpunkte. Selbstverständlich stellt der sechseckige Umriß keine Beschränkung dar, und die Form der Punkte bestimmt sich letztlich nach dem gewünschten Ergebnis.

2. Sensibilisierung der zylindrischen Matrize

• a) Dieser Vorgang ist im Grundprinzip bekannt.
  Die zylindrische Metalloberfläche 14 der Matrize 11 wird mit einer dünnen lichtempfindlichen Harz­ schicht 15 überzogen (Fig. 2). Im Falle einer ver­ hältnismäßig dicken Ablagerung, wie sie hier erfol­ gen soll, muß jedoch berücksichtigt werden, daß die Gleichmäßigkeit und die Stärke dieser Schicht sowie die Festigkeit des Harzes in dem elektrolytischen Bad von wesentlicher Bedeutung sind. Zum Beispiel wäre für einen herkömmlichen Hohlzylinder mit einer Wandstärke von nur 0,06 bis 0,08 mm eine Harzschicht von einigen µm ausreichend. Für einen dicken Zylin­ der von 0,5 bis 0,7 mm Wandstärke muß demgegenüber die Schichtdicke leicht erhöht werden (0,04 bis 0,05 mm). Die Viskosität des Harzes und die Geschwindig­ keit der Sensibilisierung unterliegen dann sehr ge­ nauen Bedingungen.
• b) Da, wie Fig. 7 und 8 veranschaulichen, die Stärke der Nickelablagerung etwas größer ist als die Dicke der Harzschicht 15, ist es verständlich, daß die Fläche der Perforierungen 7 für eine bestimmte Wan­ dung von dem Zeitpunkt abhängt, zu dem die Harz­ schicht anfängt bedeckt zu werden, d. h. von der Dicke der Schicht 15. Je dicker die Schicht 15 ist, um so geringer wird die Überdeckung. Infolgedessen werden für eine bestimmte Matrize nur dann gleich­ mäßige Perforierungen erhalten, wenn die Dicke der Harzschicht auf der ganzen Oberfläche gleichmäßig ist.
• c) Die Harzschicht 15 verbleibt später im elektrolyti­ schen Bad während einer bestimmten Zeitspanne. Wäh­ rend des ganzen Ablagerungsvorgangs im Bad muß die Harzschicht an der Matrize einwandfrei haften. Dies setzt vor dem Überziehen der Matrize eine besonders sorgfältige Reinigung und Aktivierung ihrer Oberflä­ che (Fig. 2) sowie die Verwendung eines Harzes mit ausgezeichneten Isoliereigenschaften und einer guten Beständigkeit gegen chemische Einflüsse voraus.

3. Abbildung des Rasters auf der Matrize

• a) Nach Trocknung der lichtempfindlichen Harzschicht wird der mit dem Raster 1 versehene Film, dessen Abmessungen genau denen der Matrize entsprechen, auf die Harzschicht 5 gelegt (Fig. 3). Der Film 2 weist klare (durchsichtige) Zonen auf, die z. B. genau der Form der Rasterpunkte entsprechen, und lichtundurchlässige Zonen, welche die Stege 10 zwi­ schen diesen Punkten bestimmen. Der Film 2 wird dann auf die Schicht 15 kopiert. Um eine scharfe Kopie der Konturen der Rasterpunkte zu erhalten, wird die Schicht in ihrer vollen Stärke belichtet. Unter den lichtundurchlässigen Zonen des Films, d. h. auf der ganzen Fläche der Stege 10 bleibt das Licht ohne Wirkung auf die Harzschicht. Um ganz scharfe Kontu­ ren zu erzielen, wird vorzugsweise eine intensive Lichtquelle verwendet, deren Strahlen 17 praktisch lotrecht auf die zu kopierenden Flächen fallen.
  Es leuchtet ein, daß die Belichtung wegen der Stärke der Harzschicht schwierig ist, da die Umrisse ganz scharf bleiben müssen. Daher sind erforderlich:
  • - ein einwandfrei auf der Matrize aufliegender und aufgepreßter Film;
  • - eine mit einer Blende versehene Lichtquelle.
• b) Nach Herstellung der Kopie trägt die lichtempfind­ liche Harzschicht das Negativbild des auf dem Film vorhandenen Rasters. Der Film wird dann abgezogen, und die sensibilisierte und kopierte Matrize wird in ein Entwicklerbad getaucht.
  Auf allen belichteten Flächenabschnitten bleibt die Harzschicht 15 beim Entwickeln an der Matrize haf­ ten, während alle Flächenabschnitte, die den Licht­ strahlen nicht ausgesetzt waren, im Entwicklerbad aufgelöst und entfernt werden. Bei dem Raster nach Fig. 1 wird also das Harz in allen Bereichen aufge­ löst, die den Stegen 10 des Rasters entsprechen. In diesen Bereichen wird die Metallfläche der Matri­ ze bloßgelegt, während die Punkte 3 des Rasters von Isolierschichtteilen 16 geschützt bleiben (Fig. 4).
• c) Die Dicke der Harzschicht 15 muß so bemessen sein, daß die verbleibenden Isolierschichtteile 16 einen längeren Aufenthalt im Entwicklerbad zulassen. Die Umrisse bleiben dadurch scharf, und der Überdeckungs­ effekt wird eingeschränkt. Allerdings ist eine große Schichtdicke mit Nachteilen verbunden, die sich je­ doch leicht überwinden lassen, nämlich schwierige Bearbeitung der Schicht, Verlängerung der Behand­ lungszeiten und - von besonderer Bedeutung - die Notwendigkeit einer strengen Überwachung der inneren Spannungen beim Entformen des Zylinders, denn das Spiel beim Entformen verringert sich mit zunehmender Dicke der Harzschicht.

4. Behandlung nach dem Entwickeln

• a) Um eine Verbesserung des Widerstands und der Festig­ keit des Harzes zu erzielen, werden die Matrize 11 und die beim Entwickeln verbleibenden Isolierschicht­ teile 16 einer dem verwendeten Harz angepaßten ther­ mischen Behandlung unterworfen. Diese besteht zweck­ mäßig aus einer langsamen Erwärmung bis auf eine relativ hohe Temperatur (100 bis 150° C), die eine gewisse Zeit beibehalten wird, bevor eine Abkühlung auf Zimmertemperatur erfolgt. Um eine Beschädigung der Schicht zu vermeiden, muß die Temperatur stufen­ los geändert werden.
• b) Die freiliegende Metalloberfläche der Matrize 11 wird dann einem Passivierungsvorgang ausgesetzt, um ein Anhaften der abgelagerten Nickelschicht auf dem Metall der Matrize zu unterbinden, was das Ent­ formen erschweren würde.

5. Das elektrolytische Bad und die Bedingungen für die Ablagerung

Nach dem Passivierungsvorgang kann die Ablagerung des Nic­ kels im elektrolytischen Bad beginnen. Zwei Faktoren sind dabei wesentlich, nämlich die Temperatur des Bades und die Stromdichte. Insbesondere wird die Größe dieser Faktoren aufgrund der Ergebnisse von Versuchsreihen im Hinblick auf optimale Betriebsbedingungen festgelegt, die während der ganzen Dauer nicht variieren dürfen.

• a) Die Temperatur des Bades wird konstant gehalten, beispielsweise auf 60° C. Dieser Wert wird so festge­ legt, daß die inneren Druckspannungen des abgelager­ ten Nickels in der ganzen Dicke der Ablagerung eine sorgfältig bestimmte Größe und überall die gleiche Richtung beibehalten.
• b) Während der elektrolytischen Ablagerung muß die Stromdichte konstant gehalten werden, um die kristal­ line Struktur und die mechanischen Eigenschaften des Zylinders im Verhältnis zu seiner Wandstärke nicht zu verändern.
  Die Anfangsfläche der Ablagerung auf der von der Matrize an den bloßgelegten Flächen gebildeten Ka­ thode wird genau berechnet. Die Dicke 5 (Fig. 6) der Ablagerung wird mit Hilfe eines Zählers durch einfaches Ablesen der Strommenge gemessen, die durch das Bad seit Beginn der Ablagerung hindurchgeflossen ist. Nachdem die Dicke diejenige der lichtempfindli­ chen Harzschicht erreicht hat, vergrößert sich die Oberfläche der Ablagerung zunehmend (Fig. 7 und 8). Dann muß gleichzeitig die Stromstärke geändert werden, um die Stromdichte konstant zu halten.
• c) Die Dicke der Nickelablagerung kann z. B. 0,6 mm erreichen oder überschreiten, während die Dicke der isolierenden Harzschicht sich bei einigen hundert­ stel Millimetern bewegt (das Verhältnis von 1 : 10 kann überschritten werden).
  Der Spitzeneffekt, den das magnetische Feld und die Form der leitenden Oberflächenbereiche entstehen lassen, verursacht eine partielle Überdeckung der Isolierschichtteile 16 und demzufolge eine Verringe­ rung der Größe der Löcher oder Perforierungen 7 und eine Verbreiterung der Stege 18 (Fig. 9). Diese Ent­ wicklung nimmt mit der Dicke der Ablagerung zu. Ein Loch 7 weist dann in der Draufsicht eine grundsätz­ lich sechseckige Form auf, die von gekrümmten Rän­ dern begrenzt ist, und seine Fläche ist geringer als die des ursprünglichen Rasterpunktes 3, der sich auf der Innenseite der Zylinderwandung im Relief wiederfindet (Umriß 20 von gleicher Stärke wie die Harzschicht, welche die Isolierschicht 16 bildet, in den Fig. 6, 7, 8 und 9). Die Ränder 19 stellen die sichtbaren Seiten der Stege 18 dar, welche die Wandung des Zylinders bilden.
  Die Fig. 7 und 8 zeigen die Entwicklung der Ablage­ rung, nämlich den Querschnitt einer Brücke:
  • - Sobald die Dicke der Ablagerung größer als die Dicke der Harzschicht ist, überwiegt der Spitzen­ effekt, und die Überdeckung verursacht seitliche Wulste 21 und 22 aus abgelagertem Nickel. Der ur­ sprüngliche Rasterpunkt bestimmt dabei die Dicke 20 im konkav nach einwärts gewölbten Zentrum 18 a des Steges (Fig. 7).
  • - Nimmt die Dicke der Nickelablagerung weiterhin zu, füllt sich die konkave Form der Außenseite allmählich auf, und am Ende des Ablagerungsvor­ gangs bleibt nur eine schmale Linie 23 in konkaver Form auf dieser Außenseite 24 (Fig. 8).
• d) Das elektrolytische Bad 25 ist gemäß Fig. 5 in einer Behandlungswanne 26 enthalten, in welche die Matrize 11 völlig eingetaucht ist und dabei um eine waage­ rechte Achse gedreht wird. Die Matrize 11 bildet dabei die Kathode. Ihre Lager 27 sind mit Kohlebür­ sten 28 versehen, die mit dem Minuspol eines (nicht gezeigten) Gleichrichters verbunden sind. Die sen­ sibilisierte Matrize 11 dreht sich vor einer Viel­ zahl von Anoden 29, die z. B. an einer Schiene 30 oberhalb des Bades aufgehängt und mit dem Pluspol des Gleichrichters verbunden sind. Wenn an den Klem­ men des Gleichrichters eine Spannung ansteht, geht der Strom von der Kathode zu den Anoden durch das leitende Bad (z. B. auf Nickelchlorid- oder Nickel­ sulfamatbasis). Die positiven Metallionen (Ni⁺⁺) lagern sich auf den leitenden Flächenabschnitten der Minuselektrode, d. h. auf den nichtisolierten Bereichen der Matrize 11 ab. Die für die Behandlung notwendigen Geräte (Pumpe, Filter, Geräte zum Erwär­ men und Regeln der Temperatur, elektrische Zähler u. a.) sind bekannt und bedürfen deshalb keiner Be­ schreibung und Darstellung.

6. Kontrolle der inneren Spannungen - Entformen

Die Bedingung zur Vorbereitung des Rasters, zur Sensibili­ sierung der Matrize und zur Herstellung einer starken Me­ tallablagerung ermöglichen die Fertigung eines dickwandigen Hohlzylinders, dessen Perforierungen dem erstrebten Ergeb­ nis entsprechen. Wenn dieser elektrolytisch gebildete Zylin­ der hergestellt wird, sind die Per­ forierungen untereinander nahezu identisch, da ihre Form und ihre Abmessungen je nach Art und Dicke der Nickelschicht vorher berechnet wurden.

Der dickwandige Hohlzylinder muß sich nun von der zylindri­ schen Matrize 11, die ihm als Form gedient hat, abheben lassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dies ohne bleiben­ de Verformung des Hohlzylinders.

• a) Zu diesem Zweck wird die Wirkung der in der Nickel­ abscheidung entstandenen Druckspannungen ausgenutzt. Diese müssen vollständig beherrscht werden, und zwar während der ganzen Dauer des Ablagerungsprozesses, wozu ein Druckspannungsmesser dient. Die Fig. 13 und 14 stellen ein als Spannungsmesser bezeichnetes Gerät 31 dar, das die inneren Druckspannungen einer elektrolytischen Ablagerung in ihrer Größe und Rich­ tung wiedergibt.
• b) Der Spannungsmesser 31 enthält:
  • - eine Grundplatte 32 aus massivem nichtleitenden Material,
  • - eine starre Stange 33, die senkrecht auf der Grund­ platte 32 befestigt ist und an ihrem freien Ende eine Befestigungsvorrichtung 34 für ein Metallband 35 trägt,
  • - einen Nabe 36, die auf die Stange 33 in der Nähe der Grundplatte 32 drehbar aufgeschoben ist und ein Drehsegment 37 trägt, dessen Außenrand 38 ver­ zahnt ist,
  • - eine Klemmhülse 39 mit einer Klemmschraube 40 zum Festklemmen auf der Nabe 36 und
  • - ein Ritzel 41 mit einem damit drehenden Zeiger 42, der sich vor einer Skala 43 bewegt, wenn das Ritzel 41 vom gezahnten Drehsegment 37 übersetzt angetrieben wird (Fig. 13).
• Alle diese Teile bestehen, mit Ausnahme des Metall­ bandes 35, aus nichtleitendem Material.
• c) Die Anwendung und Funktion des Spannungsmessers 31 sind folgende:
  • - Das Band 35, z. B. ein Band aus Federstahl, wird mit seinen Enden 35 a bzw. 35 b einerseits an der Stange 33 mittels der Befestigungsvorrichtung 34 und andererseits an der Nabe 36 mittels der Klemmein­ richtung 39, 40 festgelegt.
  • - Beim Auftreten einer inneren Kraft in dem schrau­ benförmig aufgewickelten Band 35 dreht sich dessen unteres Ende 35 b gegenüber dem oberen Ende 35 a um die Schraubenachse. Diese Drehbewegung nimmt die Nabe 36, das Drehsegment 37 und, über die Zahn­ radübersetzung 38-41, den Zeiger 42 mit, der sich dadurch an der festen Skala 43 entlangbewegt.
  • - Die Richtung der Kraft wird durch die Bewegungs­ richtung des Zeigers 42 angegeben, während ihr absoluter Wert proportional dem Zeigerausschlag an der Skala 43 ist.
• d) Es leuchtet ein, daß eine solche Vorrichtung nach Eichung der Skala 43 die Möglichkeit schafft, die inneren Druckspannungen der elektrolytischen Ablage­ rung zu überwachen, zu messen und zu korrigieren, wenn sich die Vorrichtung innerhalb des elektrolyti­ schen Bades 25 befindet und mit den Enden 35 a, 35 b des metallischen Bandes 35 an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist (Fig. 14). Es genügt, einerseits die Reaktion des Metallbandes 35 auf eine bestimmte innere Kraft und andererseits den Wert der gewünsch­ ten inneren Druckspannungen zu kennen. Nach einer Reihe von Metallablagerungsvorgängen auf einem sol­ chen Band kann die Skala 43 unmittelbar in Werten geeicht werden, welche die Richtung und die Aus­ schlagsbreite der Druckspannungen in dem abgelager­ ten Metall unter genau festgelegten Bedingungen ange­ ben. Die Skala 43 wird beispielsweise einen mittle­ ren Punkt als Nullwert (keine Kraft) und zumindest eine Negativskala für die Spannungen, die bei Deh­ nung auftreten, aufweisen. Die Eichung des Geräts ermöglicht eine unmittelbare und ständige Ablesung von Richtung und Größe der inneren Spannung (selbst­ verständlich unter der Bedingung, daß die Bänder 35 stets die gleichen mechanischen Eigenschaften haben).
• e) Richtung und Größe der inneren Druckspannungen in dem abgelagerten Metall ändern sich je nach der Zu­ sammensetzung des elektrolytischen Bades, der Strom­ dichte und besonders der Betriebstemperatur. Diese Parameter werden so eingestellt, daß die inneren Druckspannungen eine Dehnung des Zylinders 6 bewir­ ken. Ihre Größe muß dabei ausreichen, um das Entfor­ men des metallischen Hohlzylinders von der Matrize zu erleichtern, gleichzeitig aber so gering bleiben, daß nicht ein Abheben der Nickelschicht während des Ablagerungsvorgangs auftritt.
• f) Die Fig. 10, 11 und 12 geben schematisch den Vorgang des Entformens wieder. Für einen Hohlzylinder von beispielsweise 2 Meter Länge und 0,6 mm Wandstärke wird eine Ablagerung auf einer zylindrischen Matrize 11 von etwa 2,5 Meter Länge hergestellt. Am Ende des Ablagerungsvorganges wird der Zylinder von der Matrize abgehoben, indem man z. B. eine dünne Pla­ tine 44 zwischen die beiden Metalloberflächen der Matrize und des Hohlzylinders schiebt (Fig. 10). Die Platine wird nur an einem Ende der Matrize und nicht tief eingeführt.
  Dieser Vorgang hat den Zweck, die inneren Spannungen in der abgelagerten Nickelschicht freizusetzen und eine leichte Dehnung des Zylinders 6 im Vergleich zur Matrize hervorzurufen, wobei die vorangegangene Passivierung der Matrize die Entstehung der Dehnung erleichtert. Im Grunde wird eine "Abhebewelle" ausge­ löst, die man dadurch vorantreibt, daß man einer­ seits die Platine auf der Erzeugenden des Zylinders entlangschiebt und andererseits eine Walze 45 unter Druck auf der Außenseite der Ablagerung auf der gan­ zen Länge des Zylinders entsprechend den Pfeilen 46 und 47 (Fig. 10 und 11) abrollt. Wenn der Hohl­ zylinder auf seiner ganzen Fläche abgehoben ist, kann er von der Matrize 11 getrennt werden, indem man ihn längs der Matrizenachse in Pfeilrichtung 48 (Fig. 12) abzieht.

7. Anwendungen des perforierten Hohlzylinders

Der Anwendungsbereich eines perforierten Hohlzylinders mit selbsttragender Wandstärke ist sehr groß. Es seien nur eini­ ge Anwendungsmöglichkeiten genannt:

• a) Ein auf seiner ganzen Fläche perforierter Zylinder ermöglicht die Herstellung eines gleichmäßigen An­ strichs von großer Stärke durch Ablagerung eines Anstrichmaterials durch die Perforierungen hindurch. Auf diese Weise kann ein Träger gestrichen werden oder eine Materialschicht hergestellt werden, die nach dem Erstarren selbst den Träger bildet.
• b) Wenn der Zylinder unterschiedliche Formen oder Mu­ ster von Perforierungen aufweist, ermöglicht er die Herstellung einer Reliefablagerung von sich ändern­ der Dicke: Man kann z. B. mit einem einzigen Zylin­ der Ablagerungsstärken mit Polyvinylchlorid errei­ chen, die spezifischen Materialmengen zwischen 100g/m² und 1 kg/m² entsprechen. Zu diesem Zweck werden von einem Bereich zum nächsten auf dem Zylinder fol­ gende Größen geändert: Durchmesser und Form der Per­ forierungen oder das Verhältnis der Fläche der Per­ forierungen zu derjenigen der Stege. Ein besonderer Fall besteht darin, eine Ablagerung mit sich schwä­ chendem Relief zu erzielen; dabei wird nur die zwei­ te Größe verändert.
• c) Der Zylinder ermöglicht die Veränderung des Oberflä­ chenzustandes oder der Struktur eines Erzeugnisses und die Perforierungen werden wie Düsen verwendet, durch die ein Fluid (gasförmig oder flüssig) hin­ durchtritt. Die Art des Fluids und die Eigenschaften der Perforierungen werden je nach dem angestrebten Ergebnis untersucht. Die Stärke und die Steifigkeit der Wandung läßt die Verwendung von pastenartigen festen oder gelatineartigen Produkten zu.
• d) Der Zylinder ermöglicht es, einen beliebigen Harz­ typ, z. B. ein thermoklebendes Material, Punkt für Punkt durch die Perforierungen hindurch abzulagern. Für den Raster und den elektrolytischen Ablagerungs­ prozeß werden dann die Korngrößen des Produktes, seine Viskosität, das Volumen und die Dicke der Ab­ lagerung sowie die Anordnung der Ablagerungspunkte (Klebepunkte auf Parallellinie) berücksichtigt. Eine interessante Variante dieser punktartigen Ablagerung ist die Herstellung von Schnittlinien für Waren aus nichtgewebtem Material (beispielsweise Chirurgen­ kittel).
• e) Der dickwandige Hohlzylinder kann wegen seiner Stei­ figkeit als Gegenwalze zu einem Vollzylinder verwen­ det werden, während eine klebende Harzschicht durch die Perforierungen abgelagert wird, um zwei verklebte Träger auszubilden, die zwischen den zwei Zylindern hindurch­ geführt werden.
• f) Der Hohlzylinder kann selbstverständlich auf her­ kömmliche Weise als Druckwalze verwendet werden. Er kann auch im Anschluß an eine Druckmaschine aufge­ stellt werden, um eine Reliefwirkung oder ein vor­ her in mehreren Farben gedrucktes Muster mit einem Schutzlack zu überziehen.

8. Numerisches und quantitatives Beispiel

Nachstehend werden die numerischen Werte der verschiedenen Herstellungsvorgänge eines dickwandigen Hohlzylinders ange­ geben:

• - Stärke der lichtempfindlichen Schicht: 0,05 mm;
• - Dichte der Rasterpunkte pro Flächeneinheit: Sie ist in großem Maße variabel unter der Bedingung, daß sie einen Rasterpunkt von größerem Durchmesser als die Überdeckung des Harzes bewirkt;
• - Wandstärke des gewünschten Hohlzylinders: 0,6 mm;
• - Ablagerungsbedingungen:
  • - Matrizen, die sich gänzlich im Bad befinden und um eine waagerechte Achse mit ca. 30 U/min drehen;
• - Elektrolytisches Bad:
  • - Auf Nickelsulfamatbasis;
  • - Keine Veränderung des Bades während des Ablage­ rungsvorgangs; Korrekturen können zwischen zwei Behandlungen vorgenommen werden;
  • - Zusätze (für Spannungen): ein Zusatz zur Erzie­ lung von Schrumpfspannungen (Glanzbildner) und ein anderer für Dehnungsspannungen (Saccharin); beide werden mit Hilfe des Spannungsmessers do­ siert;
  • - andere Zusätze: Borsäure, Nickelchlorid;
  • - pH-Wert ca. 4,5;
  • - Anoden: Nickelkugeln in Filtersäcken;
• - Geschwindigkeit der Ablagerung (als Funktion der Stromstärke): ca. 0,12 mm pro Std. bei 12 Ampere/dm²;
• - Dauer der Ablagerung: 5 Stunden;

Diese Werte werden nur als Hinweis angegeben und stellen keine Beschränkungen dar.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man bis zu 80% perforierte Fläche bei einer Wandstärke von 0,5 mm.

Claims (5)

1. Verfahren zum Herstellen eines perforierten Hohlzylin­ ders von selbsttragender Wandstärke durch elektrolyti­ sche Ablagerung von Nickel auf einer zylindrischen Me­ tallmatrize und anschließende Trennung der Ablagerung von der Matrize, wobei diese vor dem elektrolytischen Ablagerungsvorgang durch Auftragen einer lichtempfind­ lichen Harzschicht sensibilisiert wird, ein Raster oder Muster auf diese Harzschicht kopiert wird und die be­ lichtete Harzschicht fotografisch entwickelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Umriß und die Dichte der Rasterpunkte, die Behand­ lung des Harzes und der Matrize und die Bedingungen für die elektrolytische Ablagerung in Abhängigkeit von der mehrere Zehntelmillimeter betragenden Wandstärke, die ohne wesentliche Verformung der Rasterpunkte, d. h. der Perforierungen, erhalten werden soll, derart ausgewählt werden, daß diese Bedingungen anschließend eine Trennung des relativ dickwandigen Hohlzylinders von der Matrize ohne dauerhafte Verformung unter Aus­ nutzung der durch diese Bedingungen erzeugten inneren Druckspannungen (Dehnungsspannungen) in dem auf der Metalloberfläche der Matrize abgelagerten Metall gestat­ ten, und daß der elektrolytisch abgelagerte Zylinder dadurch von der Oberfläche der Matrize entformt wird, daß er in einem schmalen Randbereich auf dem ganzen Umfang abgehoben wird, um die inneren Spannungen der Ablagerung freizusetzen, deren Dehnungswirkung sich als Abhebewelle ausbreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Größe und Richtung der inneren Spannungen der elektrolytischen Ablagerung ständig dahingehend kontrolliert werden, daß sie in einem Bereich zwischen einem Maximalwert, der ein Abhe­ ben während des Ablagerungsvorgangs verursacht, und einem Minimalwert verbleiben, der ein Entformen ohne plastische Verformung und Beschädigung des Hohlzylin­ ders unmöglich macht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung und Größe der inneren Druckspannungen in dem abgelagerten Metall durch Vergleich mit Spannungen, die unter glei­ chen Betriebsbedingungen in einem Metallelement eines vorher geeichten Geräts entstehen, kontrolliert, gemes­ sen und eingestellt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte während der ganzen Dauer der dickwandi­ gen Ablagerung konstant gehalten wird, indem zur Bestim­ mung der Anfangsstromstärke zunächst die leitende Ober­ fläche nach dem Entwicklungsvorgang berechnet und dann die Stromstärke regelmäßig in dem Ausmaß nachgeregelt wird, in dem die Fläche der Ablagerung durch zunehmende Überdeckung des Harzes sich von dem Zeitpunkt an ver­ größert, in welchem die Dicke des abgelagerten Metalls größer wird als die des isolierenden Harzes, das die Matrize in den den gewünschten Perforierungen entspre­ chenden Bereichen überdeckt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausbreitung der Abhebewelle zum Ablösen der dicken hohlzylindrischen Schicht dadurch gefördert wird, daß ein Körper aus ela­ stischem Material auf der Außenseite des Hohlzylinders abgerollt und voranbewegt wird, woraufhin der Hohlzylin­ der durch axiales Abgleiten von der Matrize abgezogen wird.