DE2838632A1

DE2838632A1 - Verfahren zum herstellen reliefartiger muster auf metalloberflaechen

Info

Publication number: DE2838632A1
Application number: DE19782838632
Authority: DE
Inventors: Gilbert P Layfield; Christ Henry Melonio
Original assignee: Standex International Corp
Current assignee: Standex International Corp
Priority date: 1977-09-12
Filing date: 1978-09-05
Publication date: 1979-04-05
Also published as: GB2004385A; AU520356B2; SE7809531L; NO157971B; IT7869090A0; FR2402534A1; NO157971C; GB2004385B; ES473234A1; PT68482A; IT1107890B; AU3890878A; BR7805834A; NL7809254A; FR2402534B1; SE443880B; CA1140797A; NO782654L

Description

PATENTANWALT

Dipl. ing. K. HOLZEE

PBII₁IPPXNEi-WEIiSEB-STHASSB 1*

AUOSBUBQ

TEIVEFON 51Θ47Β

β332OS patol d

~ 5 —

W.953

Augsburg, den k. September 1978

Standex International Corporation, Manor Parkway, Salem, New Hampshire Ο3Ο79, V.St.A.

Verfahren zum Herstellen reliefartiger Muster auf Metalloberflächen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen erhabener Muster auf Metalloberflächen, insbesondere auf Oberflächen von Gießformen, Walzen, Prägewerkzeugen und dergl.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der US-PS 3 Ο52 58Ι bekannt. Die übliche Technik besteht darin, das gewünschte

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Muster durch photomechanische Gravur auf einer gewöhnlich aus Zink bestehenden flachen Metallplatte zu reproduzieren. Sodann wird eine wachsartige bituminöse, säurebeständige Substanz auf die Plattenoberfläche aufgebracht, um die in die Plattenoberfläche eingeätzen Vertiefungen des Gravurbildes auszufüllen. Dieses Gravurbild wird sodann mit Hilfe von Seidenpapier, das in feste Berührung mit der dann daran anhaftenden wachsartigen Substanz gebracht wird, von der Plattenoberfläche abgenommen. Dieses Seidenpapier dient als Übertragungsmittel zur übertragung des Musters von der Metallplatte auf die Metalloberfläche des mit einem reliefartigen Muster zu versehenden Werkstückes. Dabei wird das Seidenpapier mit einer Lösung aus Alkohol und V/asser angefeuchtet, die als Ablösemittel dient und das Abziehen des Seidenpapiers von der Werkstückoberfläche unter Zurücklassung der wachsartigen Substanz auf dieser Werkstückoberfläche dient. Nach dem Ätzen der Werkstückoberfläche wird die wachsartige Substanz mit Hilfe eines Lösungsmittels entfernt und das Werkstück, beispielsweise eine Gießform, steht dann zum Gießen von Gegenständen, z.B. aus Kunststoff, mit dem betreffenden Muster zur Verfügung.

Ein wesentlicher Nachteil des bekannten Verfahrens liegt darin, daß die dabei verwendete wachsartige, säurebeständige Substanz zum Fließen neigt, wenn der beim Auf-

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bringen dieser Substanz auf die Werkstückoberfläche angewandte Drück wesentlich größer als der dazu erforderliche Druck ist. Dadurch ergibt sich eine beträchtliche Beschränkung hinsichtlich der Feinheit von noch genau übertragbaren Musterelementen.

Beim Ätzen von Druckformzylindern und Druckformplatten findet zwar auch eine Ätzung von Metalloberflächen statt, jedoch gelten dort völlig andere Gesichtspunkte als bei der Ätzung von Werkzeugoberflächen, beispielsweise von Gießformen usw., auf welche sich die vorliegende Erfindung bezieht. Bei Druckformen handelt es sich bei den eingeätzten Mustern praktisch um zweidimensionale Muster, wobei die Ätztiefe nur so groß zu sein braucht, wie es zur Erzielung klarer Begrenzungen des gedruckten Bildes notwendig ist. Bei dem Gravieren von Werkzeugoberflächen, worauf sich die vorliegende Erfindung bezieht, handelt es sich aber um das Herstellen dreidimensionaler Muster, um mit dem so geätzten Werkzeug Werkstücke mit entsprechenden dreidimensionalen Oberflächenmustern bzw. -bildern herstellen zu können. Die üblichen Oberflachenätzverfahren sind aber zur Herstellung einer tieferen Ätzung bzw, eines dreidimensionalen Ätzmusters nicht zufriedenstellend.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren der eingangs genannten Art zur Herstellung reliefartiger Muster auf Metalloberflächen von Gießformen, Walzen, Prägewerkzeugen oder dergl. zu finden, die nachstehend der Einfachheit halber nur noch "Werkzeugoberflächen" genannt werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt weniger Verfahrensschritte und weniger Materialien als bekannte Methoden, wodurch sich eine Zeit- und Kostenersparnis ergibt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber nicht nur einfacher und schneller als bekannte Verfahren, sondern gestattet auch die Herstellung feinerer Muster mit besser ausgeprägtem Oberflächenprofil als bekannte Verfahren.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Negativbild des gewünschten Musters hergestellt und photographisch auf ein photomechanisches Übertragungsmaterial kopiert. Nach dem Entwickeln sind die gehärteten Schichtbereiche der entwickelten ρhotographischen Schicht des Übertragungsmaterials säurebeständig und werden dann mit

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Hilfe des Schichtträgers auf die Werkzeugeroberfläche übertragen. Die Trägerrückseite wird mit einem stumpfen Werkzeug bzw. Stift bestrichen, um die entwickelten Schichtbereiche auf die Werkzeugoberfläche zu übertragen, die vorher in geeigneter Weise vorbereitet worden ist. Sodann wird die Werkzeugoberfläche geätzt, die säurebeständigen Schichtelemente werden wieder entfernt und das Werkzeug ist nunmehr fertig und kann beispielsweise zur Formung von Gegenständen aus plastisch formbarem Werkstoff verwendet werden. Der Ausdruck "plastisch formbarer Werkstoff" ist hier sehr allgemein zu verstehen und schließt beliebige formbare Materialien, wie beispielsweise Gummi, prägbare Metalle und durch Formwalzen mit einer Oberflächenstruktur bzw. -prägung ausstattbare Metall-, Gewebe- oder Papiermaterialien ein.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 perspektivisch eine Gießform, deren

Wandung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Reliefmuster versehen ist,

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Figo 2 das an der Gießformwand herzustellende

Originalmusterj

Fig. 3 ein von dem Originalmuster nach Fig. 2

hergestelltes Negativ,

Fig. 4 ein bei dem erfindungsgemäßen Ver

fahren verwendetes Übertragungsmaterial,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer

Anordnung zum Kopieren des Musters auf das Übertragungsmaterial,

Fig. 6 das Abziehen des klaren Schutzfilms

von der belichteten Emulsionsschicht des Übertragungsmaterials,

Fig. 7 die Entwicklung des Übei-tragungs-

materials,

Fig. 8 stark vergrößert in perspektivischer

Darstellung das entwickelte Übertragungsmaterial mit den entwickelten, auf einem Polyesterträger befindlichen S chi cht element en,

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Fig. 9 einen Querschnitt durch einen Teil

der Gießform, deren Oberfläche fein aufgerauht ist,

Pig. IO das übertragen der säurebeständigen

Schichtelemente vom Träger auf die Werkzeugoberfläche,

Fig. 11 das anschließende Abziehen des

Trägers von der Werkzeugoberfläche bzw. von den auf die Werkzeugoberfläche übertragenen Schichtelementen,

Fig. 12 einen Schnitt durch die Werkzeugober

fläche nach Beendigung der Oberflächenätzung, und

Fig. 13 die Werkzeugoberfläche nach Ent

fernen der säurebeständigen Schichtelemente.

Fig. 1 zeigt eine Gießform 21, deren Innenwandung 22 mit dekorativen Reliefmustern 23 versehen ist. Bei dem
beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich hierbei

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um ein verhältnismäßig einfaches Muster, bestehend aus dem Buchstaben "E" und beiderseits desselben befindlichen Zierfeldern. Selbstverständlich können aber sehr komplizierte Oberflächenmuster bzw. -zeichnungen Anwendung finden. Jedes beliebige, photographisch oder auf andere Weise reproduzierbare Muster oder Bild kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren als Relief auf die Innenwandung der Gießform übertragen werden, so daß in der Gießform gegossene Gegenstände ein entsprechendes Oberflächenrelief haben.

Das Originalmuster bzw. -bild 24 (Fig. 2) aus welchem ein Negativ 25 (Fig. 3) hergestellt wird, ist normalerweise ein Schwarzweißbild. Das Original kann jede beliebige Größe haben und ist oftmals größer als das herzustellende Oberflächenmuster, wobei das Original in diesem Fall photographisch verkleinert wird und dabei die gewünschte feine Linienqualität erhalten bleibt. Das Negativ wird mittels herkömmlicher photographischer Verfahren vom Original hergestellt, Gewünschtenfalls kann anstelle eines Negativs auch ein positives Transparentbild verwendet werden. Sodann wird gemäß Fig. 5 ein photographisches Übertragungsmaterial 26 der in Fig. 4 gezeigten Art belichtet. Ein undurchsichtiges Abdeckpapier 28 bildet die Unterlage für das Übertragungsmaterial 26, das aus einer klaren Schutzschicht 27,

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einer photographischen Emulsionsschicht 31 und einem
Polyesterträger 32 besteht. Die Schutzschicht ist dabei
dem Abdeckpapier 2 8 zugewandt. Auf dem Übertragungsmaterial liegt das Negativ 25 und auf diesem eine Glasplatte 33. Eine Lichtquelle 3H dient zur Belichtung der Emulsionsschicht des Übertragungsmaterials entsprechend dem Negativbild. Nach der Belichtung wird die Schutzschicht 27 von der belichteten
Emulsionsschicht abgezogen, wie in Fig. 6 gezeigt ist, so daß die belichtete Emulsionsschicht 31 auf dem Polyesterträger 32 zurückbleibt. Danach wird flüssiger Entwickler auf das belichtete Übertragungsmaterial aufgegossen und
mittels eines Schwämmchens oder Pinsels 36 zur Begünstigung des Entwicklungsvorgangs der Emulsionsschicht gleichmäßig auf deren Oberfläche verteilt, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Nachdem das Bildmuster vollständig sichtbar ist, wird das Übertragungsmaterial mit Wasser abgespült und getrocknet. Nunmehr besteht das Übertragungsmaterial 26 (siehe Fig. 8) aus dem Polyesterträger 32 und säurebeständigen Schichtelementen 37, die zusammen das gewünschte Muster bilden. Diese Schichtelemente 37 sind in geeignetem Maße klebrig, um an der Gießformoberfläche zu haften, sind jedoch nicht so weich, daß sie bei DruckanWendung während des Aufbringens auf die Gießformoberfläche fließen.

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Pig. 9 zeigt einen ausschnittweisen Querschnitt durch die Gießform. Die Gießform 21 weist eine fein aufgerauhte Innenoberfläche 22 auf, die durch Anätzen mittels eines Säurebades hergestellt und so für die Aufnahme der säurebeständigen Schichtelemente vorbereitet ist. Die Gießforminnenoberfläche kann aucn auf andere Weise chemisch oder mechanisch aufgerauht sein. Es hat sich aber auch gezeigt, daß das Verfahren sowohl auf aufgerauhten als auch auf polierten Oberflächen sowie auf allen Zwischenstufen der Überflächenstruktur ausführbar ist.

Der Träger mit den Schichtelementen wird gemäß Fig. 10 auf die Gießforminnenoberfläche aufgelegt, so daß die Schichtelemente 37 in innige Berührung mit dieser Innenoberfläche kommen. Die Schichtelemente werden vom Träger auf die Gießformwandung übertragen, indem der Träger in der dargestellten Weise mit einem ein abgerundetes stumpfes Ende 42 aufweisenden Stift 4l bestrichen wird, um einen verhältnismäßig starken Druck auf einer jeweils verhältnismäßig kleinen Fläche zu erzeugen und dadurch das säurebeständige Schichtmaterial, das zwar berührungshart ist, jedoch beim Bestreichen des Trägers an der Gießformwandung haftet, auf diese zu übertragen. Es können auch andere Stiftformen Anwendung finden, es muß sich dabei nur um ein Instrument mit stumpfem

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Ende handeln. Während des Bestreichens des Trägers rait dem Stift beginnt das Bild, durch den Träger 32 hindurch grau zu erscheinen, was anzeigt, daß sich die Schichtelemente vom Träger gelöst haben und an der Gießformwandung haften. Nach der Beendigung der Übertragung der Schichtelemente auf die Gießformwandung wird der Träger einfach abgezogen, da er dann nirgends mehr haftet, wie Fig. 11 zeigt, und die säurebeständigen Schichtelemente 37 verbleiben auf der Innenwandung 22 der Gießform und bilden dort das gewünschte Muster. Es hat sich gezeigt, daß bei Anwendung ausreichenden Druckes, um das säurebeständige Schichtmaterial 37 zum Anhaften an der Gießformwandung zu bringen, sich das säurebeständige Schichtmaterial vom Träger ablöst. Das Schichtmaterial haftet nur entweder an der einen oder der anderen Fläche an.

Nunmehr läßt man eine Ätzlösung 43, normalerweise auf Säurebasis, welche die im Hinblick auf den Werkstoff der Gießform geeigneten Eigenschaften aufweist, während ausreichend langer Zeit auf die Gießforminnenwandung 22 einwirken, um die nicht von dem säurebeständigen Schichtmaterial 37 geschützten Wandbereiche wegzuätzen. Dabei bleiben, wie Fig. 12 zeigt, erhabene Bereiche 44 stehen. Nach Beendigung der Ätzung kann das säurebeständige Schichtmaterial mechanisch mit Hilfe eines Schleifmittels, gegebenenfalls in Kombination mit einer

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die Verbindung dieses Schichtmaterials mit der Gießformwandung aufweichenden Lösung, wie beispielsweise Alkohol, entfernt werden, so daß nun die Gießformwandung mit dem darauf in Form der Flächenerhebungen 44 befindlichen Reliefmuster verbleibt, wie Fig. 13 zeigt. Die fertige Gießform ist in Fig. 1 dargestellt, Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind zahlreiche, bei bekannten Verfahren notxtfendige Zwischenschritte überflüssig, insbesondere das Ätzen der Zinkplatten, das Abnehmen des Bildes von den Zinkplatten auf Seidenpapier mit Hilfe von wachsartigem Übertragungsmaterial, und die Anwendung eines Ablösemittels zur Trennung des Seidenpapiers von dem auf die Werkzeugoberfläche aufgebrachten Wachsbild. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet nach der photographischen Kopie des Bildes auf das Übertragungsmaterial unmittelbar die Übertragung des Bildes auf die Werkzeugoberfläche statt. Dadurch läßt sich nicht nur die Arbeitszeit beträchtlich verringern, sondern was noch wesentlicher ist, die Qualität wird verbessert, indem einige Zwischenschritte bekannter Verfahren wegfallen, die jeweils eine gewisse Verschlechterung der Bildqualität bedingen. Da nach der photographischen Kopie unmittelbar die Übertragung des Bildes auf die Werkzeugoberfläche stattfindet, können auch noch außerordentlich feine Einzelheiten des Bildes auf der Werkzeugoberfläche reproduziert und in ein Oberflächenrelief umgesetzt werden.

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Einen weiteren Faktor, der die Reproduktion feiner Einzelheiten des Originalbildes auf der fertigen Werkzeugoberfläche ermöglicht, stellen die Belichtungsparameter dar. Beispielsweise kann eine Überbelichtung durch zu große Belichtungszeit oder zu große Lichtintensität dazu führen, daß das Übertragungsmaterial zu hart wird, um noch gut an der Werkzeugoberfläche haften zu können, d.h. es weist dann nicht mehr die notwendige Klebefähigkeit auf. Andererseits kann eine Unterbelichtung, obwohl sie an sich zur Wiedergabe des Bildes auf dem Übertragungsmaterial ausreicht, dazu führen, daß das säurebeständige Schichtmaterial 37 zu weich ist und sich daher beim Bestreichen der Trägerrückseite während des Übertragungsvorgangs nicht leicht vom Träger ablöst und bei dem dabei angewandten Druck außerdem noch fließfähig ist. Dadurch können feine Bildeinzelheiten zerstört werden. Außerdem kann eine Unterbelichtung eine saubere Entwicklung des Schichtmaterials behindern, so daß seine Säurebeständigkeit unzureichend ist, so.daß es selbst bei richtiger übertragung auf die Werkzeugoberfläche seine Maskenfunktion während des Ätzvorgangs nicht erfüllt. Wenn das richtige Maß der Klebefähigkeit nicht erreicht wird, kann sich das Schichtmaterial während des Ä'tzvorgangs ablösen, was eine Zerstörung des Oberflächenmusters zur Folge hat.

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Die optimale Klebefähigkeit für die meisten Anwendungsfälle kann bei Verwendung eines 279 πιπί χ 356 mm großen Films beispielsweise mit einer Lichtquelle erzielt werden, die aus vier Ultraviolett-Leuchtstoffröhren mit jeweils 60 W und 120 V besteht, die einen Abstand von etwa 38 mm vom Übertragungsmaterial haben, wobei die Belichtungszeit etwa 45 s beträgt. Die Belichtungszeit kann in der Praxis zwischen 30 s und 90 s variieren. Die eben genannten Parameter dienen jedoch nur als Beispiele.

Versuche haben gezeigt, daß eine Übertragungsmaterialschicht 37 mit einer Dicke von 0,013 mm den verschiedenen Ätzlösungen standhält, die zum Ätzen verschiedener Metalle und mit einer den Anforderungen an das jeweilige Bildmuster entsprechenden Ätztiefe bekannt sind. Die Ätztiefe zur Herstellung von Reliefmustern auf Werkzeugoberflächen ist beträchtlich größer als die für lithographische Anwendungen erforderliche Ätztiefe, so daß völlig andere Gesichtspunkte für die Erzeugung solcher Reliefbilder maßgebend sind. Die Ätztiefe liegt typischerweise im Bereich zwischen etwa 0,075 mm und 0,4 mm, je nach Art des Musters, Produktanwendung, ästhetischen Gesichtspunkten usw. Es können aber auch gröbere Reliefbilder mit Ätztiefen im Bereich von 1,3 nun hergestellt werden. Man kann sagen, daß, während in der

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graphischen Technik zweidimensionale Atzbilder erzeugt werden, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dreidimensionel Reliefbilder hergestellt werden.

Das erfindungsgemße Verfahren kann auf allen üblichen Werkzeugwerkstoffen wie beispielsweise gehärtetem Stahl, gehärteten Werkzeugstählen oder Berylliumkupfer Anwendung finden.

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, SiO.

Leerseite

Claims

. R. HOLZEE

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533302 pistol d

Patentansprüche

\lj Verfahren zum Herstellen reliefartiger Muster auf Metalloberflächen, insbesondere auf Oberflächen von Gießformen, Walzen, Prägewerkzeugen und dergl., gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Herstellen einer Transparentabbildung des gewünschten Musters,

b). photographisches Kopieren des Musters von der Transparentabbildung auf ein übertragungsmaterial, bei welchem es sich um eine auf einem Träger befindliche, nach dem Entwickeln säurebeständige lichtempfindliche Emulsionsschicht handelt,

c) Entwickeln der belichteten Emulsionsschicht zum Zwecke der Bildung säurebeständiger Schichtbereiche auf dem Träger,

d) übertragen der säurebeständigen Schichtbereiche von dem Träger auf die Metalloberfläche,

e) Ätzen der Metalloberfläche, und

f) Entfernen der säurebeständigen Schichtbereiche von der geätzten Metalloberfläche.

IS14/070·
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,. daß das übertragen der säurebeständigen Schichtelemente vom Träger auf die Metalloberfläche (Schritt d) folgende Teilschritte umfaßt:

dl) Auflegen des Trägers auf die Metalloberfläche derart, daß die Schlchtelemente In Inniger Berührung mit der Metalloberfläche an dieser anliegen,

d2) Andrücken des Trägers durch Bestreichen der Trägerrüekselte mit einem stumpfen Werkzeug, um die Sehlchtelemente fest an die Metalloberfläche anzudrücken und vom Träger zu lösen, und

d3) Abziehen des Trägers von der Metalloberfläche und den auf diese übertragenen Schichtelementen..
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Emulsionsschicht zwischen einem klaren Schutzfilm und dem Träger gelegen Ist und daß der Schutzfilm nach dem Belichten der Emulsionsschicht von dieser abgezogen wird.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Entwickeln der belichteten Emulsionsschicht eine Entwicklerlösung gleichmäßig auf die belichtete Emulsion aufgetragen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ätzen der Metalloberfläche mittels einer für das jeweilige Metall geeigneten Ätzlösung erfolgt,
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen der säurebeständigen Schichtelemente von der Metalloberfläche mechanisch mit Hilfe eines Schleifmittels erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die säurebeständigen Schichtelemente mittels einer Lösung aufgeweicht werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloberfläche vor dem übertragen der säurebeständigen Schichtelemente aufgerauht wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine nach dem Entwickeln klebrige und

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säurebeständige Emulsionsschicht verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Belichten des Übertragungsmaterials beim Kopieren des gewünschten Musters derart erfolgt, daß die Emulsionsschicht nach dem Entwickeln eine zum Anhaften an der Metalloberfläche ausreichende Klebefähigkeit, jedoch eine ausreichende Härte aufweist, um ein Fließen während der übertragung der Schichtelemente zu verhindern.
11. Verfahren nach Ansprch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die entwickelte Emulsionsschicht eine so ausreichende Härte aufweist, daß sie sich bei der übertragung der Schichtelemente auf die Metalloberfläche vom Träger ablöst.

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