DE4439895C1 - Verfahren zum Einbringen von Strukturen in glatte Oberflächen von harten Materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von Strukturen in glatte Oberflächen von harten Materialien. Als Strukturen sollen hier Bilder, Schriftzeichen, Ornamente, Landschaften und Porträts verstanden werden. Geeignete Materialien sind Naturstein, insbesondere Granit, Glas, Keramik und Glaskeramik. Glatt ist eine Oberfläche, die poliert, matt-poliert oder blankgepreßt ist.

Die Erfindung findet in der Innen- und Außenarchitektur, der Möbelgestaltung, dem Kunsthandwerk und der Grabmalkunst Anwendung.

Bisher bekannten Verfahren zur strukturierenden Gestaltung von Materialien beruhen auf der Materialabtragung durch Sandstrahlen, Stocken oder einfaches Meißeln. Bei diesen Verfahren ist nachteilig, daß die gegen Umwelteinflüsse widerstandsfähige glatte Oberflächenschicht des Materials zerstört wird. In der DE 43 00 361 A1 wird ein Verfahren zum Gravieren auf Stein beschrieben, das sphärische Stahlkornpartikel benutzt, die mit einer hohen Geschwindigkeit unter einem bestimmten Winkel auf die Materialoberfläche gestrahlt werden. Die erzeugten Strukturen bilden Flächen für Schmutzablagerungen. Im Freien führt das zur Moosbewachsung. Die Strukturen schwinden bis zur Unkenntlichkeit, wenn diese mit Wasser in Berührung kommen. Um diese Nachteile zu umgehen, werden die strukturierten Flächen mit Fremdstoffen beschichtet (z. B. Farbe, Blattgold).

Bekannt sind Verfahren, bei denen mittels eines Ätzmittels und einer Maske eine Struktur in eine glatte Oberfläche eines festen Materials eingebracht wird. Zum Beispiel wird in der DE 41 12 517 A1 eine Vorrichtung beschrieben, mit der eine Kennung in eine Glasscheibe eingeätzt wird. Auch hier erfolgt eine Materialabtragung. Bekannt sind auch Verfahren, die mittels Laserstrahlung eine Materialumwandlung vornehmen. In DE 42 24 282 A1 wird ein Verfahren zur abtragenden Mikrostrukturierung von Glas beschrieben, das Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge und ein Spezialglas verwendet. In der WO 94/1467 A1 wird ein Verfahren zum Erzeugen eines Bildes im Inneren eines Körpers beschrieben, das auf örtlichen Zerstörungen des Materials beruht. Dieses Verfahren nutzt im wesentlichen die Absorption der Laserenergie im Material. In der DE 35 34 920 C2 wird eine Vorrichtung zum Gravieren von Werkstücken beschrieben, bei der ein Gravierstift ein stumpf- oder kugelförmig angeschliffenes Gravierwerkzeug aufweist und fest in einen Schwingungserreger eingespannt ist. Der Gravierstift wird mit einer Frequenz zwischen 30 und 40 kHz erregt. Auch mit dieser Vorrichtung erfolgt eine Materialabtragung. Die Graviertiefe liegt in der Größenordnung von 0,05 µm.

Die Erfindung soll das Problem lösen, mit vergleichsweise einfachen Mitteln eine ästhetisch hochwertige Oberflächenstrukturierung zu erreichen. Das Verfahren soll Strukturen erlauben, die unter den verschiedensten Umfeldbedingungen gut sichtbar sind und auch bei extremen Umgebungsbedingungen dauerhaft haltbar sind.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Anspruchs 1. Das Verfahren beruht auf einer Umwandlung der Zusammensetzung und der Struktur in einem oberflächennahen Bereich des Materials.

In einer motorisch angetriebenen, mit der Hand führbaren Schnellspannvorrichtung ist ein 0,5 mm bis 2,5 mm starker angespitzter Strahldraht eingespannt. Der Stahldraht ist aus einem legierten, rostfreien Stahl, z. B. mit der Bezeichnung X 12 CrNiMn 19.9 (V2A) hergestellt. Zur Bearbeitung rotiert der Stahldraht mit einer Geschwindigkeit von etwa 3.000 bis 20.000 Umdrehungen pro Minute. Das Griffstück wird von Hand mit einem leichten Druck, der einer Gewichtskraft etwa von 50 bis 1.000 Gramm mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,5 cm/s bis 10 cm/s über das Werkstück geführt. Die angegebenen Grenzen können unterschritten oder überschritten werden, um zu dem erfindungsgemäßen Verfahrensergebnis zu gelangen. Die optimale Wahl der Parameter ist werkstoffabhängig und leicht durch wenige Versuche ermittelbar. Dabei zeichnet der rotierende Stahlstift einen ungeraden Strich. Die charakteristische oszillierend gezeichnete Form des Striches ist ein typisches Verfahrensmerkmal. Mehrere nebeneinanderliegende Striche ergeben die gewünschte Struktur mit ihrer für das Verfahren charakteristischen Transparenz und Tiefenwirkung. Für ein gutes Arbeiten ist Voraussetzung, daß die Oberfläche völlig sauber, insbesondere fettfrei ist.

Die Struktur hat besondere das erfindungsgemäße Verfahren kennzeichnende Eigenschaften:
Durch die mechanische Einwirkung des Stahlstiftes auf die Materialoberfläche entsteht eine lokale Erwärmung. Weiterhin findet zwischen dem Stahlstift und dem zu gestaltenden Material eine Materialumwandlung statt, die ein einfacher Atomaustausch oder eine chemische Reaktion sein kann. Es wurde beobachtet, daß nur wenige Stahlsorten geeignet sind, um über die Materialumwandlung in der Oberfläche des Werkstückes eine Struktur zu erzeugen.

Ungeachtet der Natur der Materialumwandlung erfolgt eine Materialumwandlung (kein nennenswerter Materialabtrag) nur an den Stellen, an denen der rotierende Stahldraht auf der Oberfläche bewegt wird. Charakteristisch ist, daß an den Stellen, an denen bereits eine verfahrensgemäße Materialumwandlung erfolgte, keine weitere verfahrensgemäße Bearbeitung vorgenommen werden kann. Der Materialumwandlungsprozeß ist praktisch mit einer einmaligen Ausführung des Verfahrens an eine bestimmten Stelle abgeschlossen. Dort wo bereits eine Bearbeitungsspur (ein Strich) erzeugt wurde, wird kein weiterer Effekt erzeugt. Der Stahldraht rutscht praktisch über diese Materialstellen hinweg. Eine Bearbeitung ist nur an nebeneinanderliegenden Bereichen möglich. Das Ergebnis des Verfahrens ist eine Strukturierung von glatten Materialoberflächen, die plastisch und lebendig wirkende Landschaften, Ornamente, Porträts, Schriftzeichen und so weiter erzeugt. Die Materialumwandlung erzeugt auf hellen, dunklen und transparenten Materialien dauerhafte, silbern reflektierende Strukturen, die auch noch bei einer vergleichsweise geringen Beleuchtungsstärke gut erkennbar sind. Sie zeichnen sich durch eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen aus. Die strukturierten Platten können ohne weiteren Schutz dauerhaft auch in extremer Atmosphäre ausgesetzt werden. Sie sind wetter-, wasser-, säure- und laugenbeständig.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, daß die Politur des Materials auch nach der Strukturierung erhalten ist. Damit unterscheidet sich das Verfahrensergebnis wesentlich von bekannten Verfahren. Die "Zerstörung" der polierten Oberfläche stellt einen wesentlichen Angriffspunkt für Verunreinigungen (Bewachsungen) und Verwitterungseinflüsse dar. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß es keine umweltschädigenden Stoffe verwendet. Bei der Bearbeitung entstehen keine Emissionen, wie Gas- und Staubentwicklungen.

Das Verfahrensergebnis ist auch dadurch charakterisiert, daß die Strukturen, insbesondere auf dunklen Materialien oder dunklen Hintergründen, unabhängig von einer Befeuchtung der Oberfläche oder vom Lichteinfallswinkel, einen guten Kontrast bilden und auch unter ungünstigen Bedingungen gut sichtbar sind. Die Strukturen wirken außergewöhnlich plastisch, insbesondere, wenn man bedenkt daß nur die Oberfläche des Materials in sehr geringer Tiefe umgewandelt wird. Durch die elegant wirkende Strukturdarstellung werden insbesondere dunkle Materialien, wie Granite, mit "Wärme" belebt.

Die Benetzung der Materialoberfläche mit Wasser, das einen Spülmittelzusatz enthält, begünstigt den Umwandlungsprozeß in der Materialoberfläche bei der Herstellung der Struktur.

Es ist jedoch auch vorgesehen, daß die Relativbewegung des rotierenden Stahldrahtes zur Materialoberfläche mit Hilfe einer Maschine erfolgt, die eine Steuerung zur Bearbeitung einer Fläche hat. Der Andruck des Stahldrahtes erfolgt mittels Federdruck.

Erfindung wird anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Fig. 2: Darstellung einer Figur auf einer Granitplatte

Fig. 3: Vergrößerte Darstellung einer Einzelheit aus Fig. 2.

Fig. 1 zeigt die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Einbringen von Strukturen in glatte Oberflächen von harten Materialien. Ein Elektromotor 1 treibt eine biegsame Welle 2 an. Die biegsame Welle hat motorabseitig ein Griffstück 3 mit einer Schnellspannvorrichtung. In die Schnellspannvorrichtung ist ein etwa 20 mm langer Stahldraht so eingespannt, daß etwa 10 mm frei liegen.

Der Stahldraht ist aus dem Material X 12 CrNiMn 19.9 (V2A). Der Stahldraht ist angespitzt, wobei die Spitze abgerundet sein kann, bzw. wobei sich die Spitze während der Bearbeitung ohnehin abrundet. Je nach der gewünschten Stärke des Einzelstriches werden der Drahtdurchmesser oder die Anspitzung gewählt. Üblich ist ein Durchmesser des Stahldrahtes von 1 mm. Zur Bearbeitung wird der Stahldraht in Umdrehungen versetzt. Die zur Bearbeitung günstigste Drehzahl ist materialabhängig und kann durch Versuche leicht ermittelt werden. Dazu ist die Drehzahl des Motors einstellbar. Üblich ist eine Drehzahl des Stahldrahtes von 10.000 Umdrehungen pro Minute.

Im einfachsten Fall wird das Griffstück, insbesondere für Arbeiten mit künstlerischem Anspruch, mit der Hand auf die Oberfläche des Materials angedrückt und über das Material gezogen. Es wird Strich an Strich gesetzt, um die gewünschte Struktur zu erzeugen.

Fig. 2 zeigt eine Fotographie der Darstellung einer Rose auf einer schwarzen Granitplatte. Die Rose erscheint in der Realität plastisch. Der Betrachter hat den Eindruck, daß die Rose im Stein räumlich ausgebreitet ist.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2. Deutlich sind die in die polierte Oberfläche des Granits eingezeichneten Bearbeitungsspuren des rotierenden Stahldrahtstiftes auf der Oberfläche zu erkennen. Diese in Natur silberfarben erscheinenden Wellenlinien sind ein charakteristisches Merkmal des Ergebnisses des erfindungsgemäßen Verfahrens. Entsprechend angeordnete nebeneinanderliegende Einzelstriche ergeben eine plastische Wirkung des gezeichneten Bildes.

Claims (5)

1. Verfahren zum Einbringen von Strukturen in glatte Oberflächen von harten Materialien durch Umwandlung der Zusammensetzung und der Struktur der oberflächennahen Bereiche, bei dem

• - ein 0,5 mm bis 2 mm starker, rund angespitzter Drahtstift aus einem legierten, rostfreien Strahl,
• - mit einer Geschwindigkeit von 3.000 bis 20.000 Umdrehungen pro Minute rotiert,
• - der Stahldrahtstift mit einer Gewichtskraft von 50 g bis 1000 g,
• - in einem Winkel zwischen 70 und 90° zur Werkstückoberfläche,
• - mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 10 cm/s über die Werkstückoberfläche bewegt und dabei ein Strich gezeichnet wird und
• - durch eine Aneinanderlagerung mehrerer Striche die gewünschte Struktur erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Stahldrahtstift ein Stahl aus X 12 CrNiMn 19.9 mit 1 mm im Durchmesser eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Oberfläche des Materials mit Wasser benetzt wird, das mit einem Spülmittelzusatz versehen wurde.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Relativbewegung des rotierenden Stahldrahtstiftes auf der Oberfläche und der Andruck des Stahldrahtstiftes auf die Oberfläche mit Hand erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Relativbewegung des rotierenden Stahldrahtstiftes auf der Oberfläche durch eine Maschine mit einer Steuerung in mindestens zwei Raumrichtungen erfolgt und der Andruck des Stahldrahtstiftes auf die Oberfläche durch Federkraft oder eine Zustellbewegung in einer dritten Raumrichtung erfolgt.