EP1854568B1 - Verfahren zur Abformung von dreidimensionalen Freiformflächen mit mikrostrukturierten Oberflächen - Google Patents

Verfahren zur Abformung von dreidimensionalen Freiformflächen mit mikrostrukturierten Oberflächen Download PDF

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EP1854568B1
EP1854568B1 EP07008963A EP07008963A EP1854568B1 EP 1854568 B1 EP1854568 B1 EP 1854568B1 EP 07008963 A EP07008963 A EP 07008963A EP 07008963 A EP07008963 A EP 07008963A EP 1854568 B1 EP1854568 B1 EP 1854568B1
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EP
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layer
core
hard material
free
thickness
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EP07008963A
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Kilian Saueressig
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K1 GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes

Definitions

  • the invention relates to a method for molding microstructured three-dimensional freeform surfaces.
  • Microstructured means that the free-form surface contains structures with dimension differences smaller than 1 mm.
  • impression by means of a silicone casting or by means of a galvanic or chemical impression are known.
  • impressions of hard material layers, for example of tungsten carbide, with the aid of a sintering process are also in this process, the low dimensional stability and high residual stresses resulting from volume changes during sintering, disturbing.
  • a method of making molds and mold shells, foundry models, core bushings, and the like having a textured surface is known.
  • a layer of low-melting material is first applied to the master model, which has the desired surface structures.
  • the applied self-supporting layer is reinforced by non-metallic materials to an intermediate form.
  • the intermediate form is removed from the original model.
  • the present intermediate form thus has a metallic side, which is also structured on its surface.
  • a layer of a high-strength ceramic or another refractory material is then applied. If the layer of refractory material is not self-supporting, it can be reinforced.
  • the layer of low-melting metallic material is melted, for example in a water bath, in an oil bath, in an oven or even inductively. Once the low melting material has drained off, the layer of refractory forming the final form is separated from the remaining reinforcement of the intermediate form and the final shape can be removed.
  • a release agent which is an aqueous solution of polyvinylamide or the like is first applied to a sample-carrying master can. Then, a layer of low-melting metal is applied to this release agent layer to fill the original pattern. Subsequently, the metallic layer is reinforced with fiber-reinforced plastic. This construction forms the intermediate form which has mapped the prototype pattern on the layer of low-melting metal. In the next step, a release agent is again applied, then a high melting point metal such as nickel or the like is injected onto the release agent layer until the pattern of the intermediate form is covered. Finally, reinforced with glass fiber reinforced synthetic resins.
  • the object of the invention to provide a method for molding microstructured three-dimensional freeform surfaces, with which even very fine shapes can be precisely imaged, with a geometrically very dimensionally stable and wear-resistant and hard surface is to be generated.
  • the process should show a high variability with regard to the material properties of the surfaces.
  • a positive impression of the surface to be produced is produced by means of a negative impression on a polymer layer, on which the layers for the final molding shell are then built up. It works with very stable cores, such as low-stress steels, which can also be used several times. Throughout the manufacturing process, they ensure that the geometry of the core is transferred to the mold shell. Manufacturing deficiencies, such as shrinkage, high residual stresses, deformation due to residual stresses that regularly occur in silicone casts, sintered components, metal casings, etc., are thus avoided.
  • a barrier layer which is not chemically or galvanically attacked can be applied to the layers of metallic material.
  • the barrier layer may be omitted if a material is used for the hard material layer, which is not attacked galvanically or chemically, if later in the production of the final surface, the first and second layer are removed again.
  • the hard material layer can be galvanically or chemically reinforced.
  • Possible bonding techniques in step i) include bonding, wherein the adhesive has a higher decomposition temperature than the polymeric material of the layer, soldering under pressure, and sintering.
  • Another way to connect the exposed surface of the shell with the basic shape is to coat these and / or the basic form chemically, galvanically or physically and then under high pressure and a temperature which is lower than the melting temperature of the basic mold or shell to press.
  • the tray may be hot isostatically pressed prior to step i).
  • epoxy resin can be used, which more preferably contains a ceramic filler.
  • both the thermal decomposition temperature and the separation properties can be controlled. In particular, manufacturing inaccuracies in the steel core and the shell can be compensated by the polymeric layer.
  • Copper may be used as the metallic material for the first and second layers, silver as the material for the barrier layer.
  • the hard material layer may consist of nickel, preference is given to nitrides, carbides or carbonitrides of titanium and aluminum or mixtures thereof.
  • the first layer is preferably evaporated with a thickness of less than 10 .mu.m
  • the second layer can be applied with a thickness in the range between 50 .mu.m and 150 .mu.m.
  • the preferred range for the thickness is between 3 ⁇ m and 8 ⁇ m. The exact dimensions depend on the fineness of the microstructures that are to be imaged.
  • a thickness in the range between 100 .mu.m and 1000 .mu.m has proven to be expedient.
  • a silicone impression 10 is shown having the microstructured surface 12 removed from a master mold.
  • silicone another suitable material with release agent property can be selected.
  • a core 30 is then provided which has a contour which is milled to the contour of the three-dimensional freeform surface.
  • the silicone impression 10 is then coated with a thin layer 20 of polymeric material and placed on the core 30.
  • the layer 20 of polymeric material is then bonded to the core 30. Subsequently, the silicone impression 10 is removed.
  • FIG. 2 shows how then the remaining on the core 30 polymeric layer 20 has the microstructured surface 14 with the positive pattern of the original form. On the surface 14 of the polymeric layer 20, the final shape is now built.
  • the thickness of the second layer 44 is for example 100 microns, so that provided for a reinforcement of the thin first layer 42.
  • a barrier layer 46 for example made of silver, with a thickness of 5 microns is applied.
  • the barrier layer 46 is intended to protect the now following hard material layer 50 in the event of subsequent galvanic or chemical removal of the layers 42, 44.
  • the barrier layer 46 can be omitted.
  • the thickness of the hard material layer 50, which has been applied to the barrier layer 46, for example by means of high-speed flame spraying, plasma spraying, kerosene flame spraying or the like, has a layer thickness which is preferably 100 ⁇ m to 1000 ⁇ m.
  • the hard material layer 50 may be provided with a reinforcing layer 52 if necessary.
  • FIG. 4 shows the result.
  • the layer structure 42, 44, 46, 50, 52 forms a shell 60, which is constructed on the layer 20 of polymeric material. By machining, the exposed side of the shell 60 is provided with a defined contour. The result is in FIG. 5 shown.
  • FIG. 6 shows the process of joining the shell 60 with polymer layer 20 and core 30 with a basic shape 70, which preferably consists of steel.
  • the bonding is described by way of example with reference to a soldering process, other joining techniques are possible.
  • the soldering takes place at a temperature at which the layer 20 of polymeric material decomposes.
  • a suitable temperature is 400 ° C, so that, when pressure is applied in the direction of arrows F, warpage is eliminated and good contact is made between the shell 60 and the base mold 70.
  • the gap between shell 60 and basic shape 70 can thus be minimized, so that almost no solder between shell 60th and basic form 70 remains as an independent layer.
  • the solder diffuses almost completely into the shell 60 and the basic shape 70.
  • the decomposed layer 20 may be removed via a sandblasting process or other cleaning process.
  • the copper layers 42, 44 FIG. 3
  • the barrier layer 46 FIG. 3
  • This barrier layer 46 can now be removed in the production process, for example, by injection molding, by abrasion or by a gentle sand blasting process, so that the underlying hard material layer 50 comes to light.
  • FIG. 7 shows the finished end mold with basic shape 70, shell 60 and structured surface 12 of the hard material layer 50 and 52, respectively.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)
  • Treatments Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abformen mikrostrukturierter dreidimensionaler Freiformflächen.
  • Es sind zahlreiche Möglichkeiten bekannt, mikrostrukturierte dreidimensionale Freiformflächen abzuformen. "Mikrostrukturiert" meint dabei, daß die Freiformfläche Strukturen mit Dimensionsunterschieden kleiner als 1 mm enthält. Bekannt sind beispielsweise die Abformung mittels eines Silikonabgusses oder mit Hilfe einer galvanischen oder chemischen Abformung. Bei chemisch abgeschiedenen Schalen mit großen Wandstärken muß dabei eine besondere Werkstoffauswahl getroffen werden, trotzdem zeigen sich geringe Maßhaltigkeit beim Abformen als auch Verzüge durch Eigenspannungen. Weiter bekannt sind Abformungen von Hartstoffschichten, beispielsweise aus Wolframcarbid, mit Hilfe eines Sinterprozesses. Auch bei diesem Prozeß sind die geringe Maßhaltigkeit und hohe Eigenspannungen, die aus Volumenänderungen beim Sintern herrühren, störend.
  • Aus der EP 0 423 390 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Formen und Formschalen, Gießereimodellen, Kernbuchsen und dergleichen mit strukturierter Oberfläche bekannt. Dabei wird zunächst auf das Urmodell, das die gewünschten Oberflächenstrukturen aufweist, eine Schicht aus niedrig schmelzendem Material aufgebracht. Die aufgebrachte selbsttragende Schicht wird durch nichtmetallische Materialien zu einer Zwischenform verstärkt. Anschließend wird die Zwischenform vom Urmodell entformt. Die nun vorliegende Zwischenform weist also eine metallische Seite auf, die auch an ihrer Oberfläche strukturiert ist. Auf diese metallische Seite der Zwischenform wird nun eine Schicht aus einer hochfesten Keramik oder einem anderen hochschmelzenden Werkstoff aufgebracht. Falls die Schicht aus hochschmelzendem Werkstoff nicht selbsttragend ist, kann sie verstärkt werden. Jetzt wird die Schicht aus niedrig schmelzendem metallischem Werkstoff aufgeschmolzen, beispielsweise im Wasserbad, im Ölbad, in einem Ofen oder auch induktiv. Sobald das niedrig schmelzende Material abgeflossen ist bzw. abgeleitet worden ist, ist die Schicht aus hochschmelzendem Werkstoff, die die Endform bildet, von der verbleibenden Verstärkung der Zwischenform getrennt, und die Endform kann entnommen werden.
  • Bei dem Verfahren gemäß der EP 0 549 981 A2 wird auf eine mustertragende Urform zunächst ein Trennmittel aufgebracht, das eine wäßrige Lösung von Polyvinylamid oder dergleichen sein kann. Dann wird auf diese Trennmittelschicht eine Schicht aus niedrig schmelzendem Metall aufgetragen, um das Muster der Urform aufzufüllen. Anschließend wird die metallische Schicht mit faserverstärktem Kunststoff verstärkt. Dieser Aufbau bildet die Zwischenform, die das Muster der Urform auf der Schicht aus niedrig schmelzendem Metall abgebildet hat. Im nächsten Schritt wird wiederum ein Trennmittel aufgetragen, dann wird ein Metall mit hohem Schmelzpunkt, beispielsweise Nickel oder dergleichen, auf die Trennmittelschicht gespritzt, bis das Muster der Zwischenform abgedeckt ist. Schließlich wird wiederum mit glasfaserverstärkten Kunstharzen verstärkt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Abformen mikrostrukturierter dreidimensionaler Freiformflächen zur Verfügung zu stellen, mit dem auch sehr feine Formen präzise abgebildet werden können, wobei eine geometrisch sehr maßhaltige und verschleißfeste und harte Oberfläche erzeugt werden soll. Dabei soll der Prozeß eine hohe Variabilität im Hinblick auf die Materialeigenschaften der Oberflächen zeigen.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abformen mikrostrukturierter dreidimensionaler Freiformflächen weist folgende Schritte auf:
    1. a) Abformen der mikrostrukturierten dreidimensionalen Freiformfläche mit einem Material mit Trennmitteleigenschaft für polymeres Material, um eine Abformung der mikrostrukturierten Oberfläche der Freiformfläche zu erhalten;
    2. b) Bereitstellen eines Kerns, dessen Oberfläche an die Kontur der Freiformfläche angepaßt ist;
    3. c) Beschichten der Abformung mit einer Schicht aus polymeren Material mit einer Dicke, die mindestens der Tiefe der Strukturen der mikrostrukturierten Oberfläche entspricht;
    4. d) Aufsetzen der beschichteten Abformung auf den Kern und Verbinden der Schicht aus polymerem Material mit dem Kern unter externem Druck, so daß sich die beschichtete Abformung an den Kern schmiegt;
    5. e) Abnehmen der Abformung von dem Kern, wobei die Schicht aus polymerem Material auf dem Kern verbleibt;
    6. f) gegebenenfalls Aufbringen einer oder mehrerer Schichten homogener Schichtdicke aus metallischem Material auf die freiliegende Schicht aus polymerem Material;
    7. g) Aufbringen einer Hartstoffschicht, gegebenenfalls bei zwischengeschalteter Schicht oder zwischengeschalteten mehreren weiteren Schichten auf die Schicht aus polymerem Material;
    8. h) Bereitstellen einer Grundform, deren Kontur im wesentlichen der der freiliegenden Fläche der Hartstoffschicht und/oder einer Verstärkung der Hartstoffschicht entspricht;
    9. i) Verbinden der sich auf dem Kern befindenden freiliegenden Fläche mit der Grundform bei einer Temperatur, die höher ist als die Zersetzungstemperatur der Schicht aus polymerem Material, dabei Zersetzen der Schicht;
    10. j) Entfernen der zersetzten Schicht; und
    11. k) gegebenenfalls Abtragen der einen oder der mehreren weiteren Schichten,
    so daß die Hartstoffschicht mit mikrostrukturierter Oberfläche freiliegt.
  • Bei der Erfindung wird demnach über eine Negativabformung auf einer Polymerschicht eine Positivabformung der zu erzeugenden Oberfläche hergestellt, auf der dann die Schichten für die endgültige Formschale aufgebaut werden. Dabei wird mit sehr formstabilen Kernen, beispielsweise aus spannungsarmen Stählen gearbeitet, die auch mehrmals eingesetzt werden können. Während des gesamten Fertigungsprozesses sorgen sie dafür, daß die Geometrie des Kerns auf die Formschale übertragen wird. Fertigungsunzulänglichkeiten, wie Schrumpfungen, hohe Eigenspannungen, Verformung aufgrund von Eigenspannungen, die bei Silikonabgüssen, Sinterbauteilen, Metallabgüssen usw. regelmäßig auftreten, werden somit vermieden.
  • Dabei kann im Schritt g) die Hartstoffschicht chemisch oder galvanisch direkt auf der Schicht aus polymerem Material abgeschieden werden. Eine Alternative ist es, die Hartstoffschicht physikalisch auf der einen oder den mehreren zwischengeschalteten Schichten abzulagern. Dabei können Techniken wie Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Plasmaspritzen, Kerosin-Flammspritzen oder dergleichen angewendet werden. Es ist auch möglich, die Hartstoffschicht physikalisch direkt auf der Schicht aus polymerem Material abzuscheiden. Bevorzugt wird in einer Schutzgasatmosphäre im Vakuum gearbeitet. Der Schichtaufbau im Schritt f) kann das
    1. f1) Aufdampfen einer ersten Schicht mit sehr geringer Schichtdicke aus metallischem Material auf die Schicht aus polymerem Material; und
    2. f2) Verstärken der ersten Schicht durch eine zweite Schicht mit homogener Schichtdicke umfassen. Dabei kann die zweite Schicht chemisch, galvanisch oder physikalisch abgeschieden werden.
  • Gegebenenfalls kann nach dem Schritt f) eine Sperrschicht, die chemisch oder galvanisch nicht angegriffen wird, auf die Schichten aus metallischem Material aufgebracht werden. Die Sperrschicht kann entfallen, wenn für die Hartstoffschicht ein Material eingesetzt wird, das galvanisch oder chemisch nicht angegriffen wird, wenn später beim Erzeugen der endgültigen Oberfläche die erste und zweite Schicht wieder abgetragen werden.
  • Anschließend an den Schritt g) kann die Hartstoffschicht galvanisch oder chemisch verstärkt werden.
  • Sodann ist es in der Regel zweckmäßig, die Hartstoffschicht und/oder ihre Verstärkung auf der der mikrostrukturierten Oberfläche gegenüberliegenden freiliegenden Fläche spanend zu bearbeiten, um eine Schale mit definierter Kontur ihrer Oberfläche zu erzeugen.
  • Mögliche Verbindungstechniken im Schritt i) umfassen das Verkleben, wobei das Klebmittel eine höhere Zersetzungstemperatur als das polymere Material der Schicht hat, das Verlöten unter Druck sowie das Versintern.
  • Eine alternative Vorgehensweise ist, im Schritt i) zum Verbinden der freiliegenden Fläche mit der Grundform
    • die Grundform vollständig in ein Bad aus bei niedriger Temperatur schmelzendem Metall, beispielsweise Zinn, einzutauchen;
    • der Kern mit der freiliegenden Fläche in die Grundform zu drücken;
    • das geschmolzene Metall aus dem Bad zu entfernen; und
    • die Grundform und der Kern unter hohem Druck für einige Stunden auf einer Temperatur zu halten, die niedriger ist als die Schmelztemperatur der Grundform und der Schale.
  • Nach dem Eindrücken des Kerns in die Grundform besteht zwischen diesen nun entweder direkter Kontakt, oder aber es befindet sich geschmolzenes Metall zwischen Grundform und Schale. Das geschmolzene Metall wird nun aus dem Bad entfernt. Durch das anschließende Ruhenlassen der Anordnung unter hohem Druck und einer geeigneten Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur von Schale und Grundform kann überflüssiges geschmolzenes Metall zwischen Schale und Kern entweichen, und es können Diffusionsvorgänge stattfinden, so daß eine gute Verbindung zwischen Grundform und Schale entsteht. Das geschmolzene Metall dient dabei als eine Diffusionsbrücke, in der der Austausch von Atomen zwischen Grundform und Schale erleichtert wird.
  • Eine weitere Möglichkeit, die freiliegende Fläche der Schale mit der Grundform zu verbinden, besteht darin, diese und/oder die Grundform chemisch, galvanisch oder physikalisch zu beschichten und dann unter hohem Druck und einer Temperatur, die geringer ist als die Schmelztemperatur von Grundform oder Schale, zu verpressen.
  • Zum Reduzieren von Spannungen kann die Schale vor dem Schritt i) heißisostatisch gepreßt werden.
  • Als polymeres Material kann beispielsweise Epoxydharz eingesetzt werden, das weiter bevorzugt ein keramisches Füllmittel enthält. Je nach Zusammensetzung können sowohl die thermische Zersetzungstemperatur als auch die Trenneigenschaften gesteuert werden. Insbesondere können Fertigungsungenauigkeiten beim Stahlkern und der Schale durch die polymere Schicht ausgeglichen werden.
  • Als metallisches Material für die erste und zweite Schicht kann Kupfer eingesetzt werden, als Material für die Sperrschicht Silber. Die Hartstoffschicht kann aus Nickel bestehen, bevorzugt sind Nitride, Carbide oder Carbonitride von Titan und Aluminium oder Mischungen daraus.
  • Die erste Schicht wird bevorzugt mit einer Dicke kleiner als 10 µm aufgedampft, die zweite Schicht kann mit einer Dicke im Bereich zwischen 50 µm und 150 µm aufgebracht werden.
  • Für die Sperrschicht liegt der bevorzugte Bereich für die Dicke zwischen 3 µm und 8 µm. Die genauen Bemaßungen richten sich nach der Feinheit der Mikrostrukturen, die abgebildet werden sollen.
  • Für die Hartstoffschicht hat sich eine Dicke im Bereich zwischen 100 µm und 1000 µm als zweckmäßig erwiesen.
  • Im folgenden soll die Erfindung lediglich beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt dabei das erfindungsgemäße Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform, wobei
    • Figur 1
    die Abformung einer Urform mit einer mikrostrukturierten dreidimensionalen Freiformfläche über eine Silikonabformung zeigt und die Schritte a) bis d) veranschaulicht;
    Figur 2
    den Schritt e) veranschaulicht;
    Figur 3
    die Schritte f) und g) veranschaulicht;
    Figur 4
    einen Kern mit dem so erhaltenen Schichtaufbau zeigt;
    Figur 5
    die Schale mit definierter Oberflächenkontur veranschaulicht;
    Figur 6
    die Schritte h) bis k) veranschaulicht; und
    Figur 7
    das fertige Werkzeug zeigt.
  • In Figur 1 ist eine Silikonabformung 10 gezeigt, welche die von einer Urform abgenommene mikrostrukturierte Oberfläche 12 aufweist. Anstelle von Silikon kann auch ein anderes geeignetes Material mit Trennmitteleigenschaft gewählt werden. Es wird sodann ein Kern 30 bereitgestellt, welcher eine Kontur aufweist, die zur Kontur der dreidimensionalen Freiformfläche passend gefräst ist. Die Silikonabformung 10 wird nun mit einer dünnen Schicht 20 aus polymerem Material beschichtet und auf den Kern 30 aufgesetzt. Die Schicht 20 aus polymerem Material wird dann mit dem Kern 30 verbunden. Anschließend wird die Silikonabformung 10 abgenommen.
  • Figur 2 zeigt, wie dann die auf dem Kern 30 verbliebene polymere Schicht 20 die mikrostrukturierte Oberfläche 14 mit dem positiven Muster der Urform aufweist. Auf der Oberfläche 14 der polymeren Schicht 20 wird nun die endgültige Form aufgebaut.
  • Zunächst wird, wie in Figur 3 gezeigt, auf die auf dem Kern 30 sitzende Schicht 20 aus polymerem Material eine dünne Schicht 42 aus Kupfer in einer Dicke von beispielsweise 5 µm aufgedampft und anschließend eine zweite Schicht 44, wiederum aus Kupfer, vorzugsweise über einen chemischen, galvanischen oder physikalischen Abscheideprozeß homogen aufgetragen. Dabei beträgt die Dicke der zweiten Schicht 44 beispielsweise 100 µm, so daß für eine Verstärkung der dünnen ersten Schicht 42 gesorgt ist. In einem weiteren Schritt wird eine Sperrschicht 46, beispielsweise aus Silber, mit einer Dicke von 5 µm aufgebracht. Die Sperrschicht 46 soll bei einem späteren galvanischen oder chemischen Abtrag der Schichten 42, 44 die nun folgende Hartstoffschicht 50 schützen. Wird daher für die Hartstoffschicht 50 ein Material gewählt, das galvanisch oder chemisch nicht angegriffen wird, kann die Sperrschicht 46 entfallen. Die Dicke der Hartstoffschicht 50, die beispielsweise mittels Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Plasmaspritzen, Kerosin-Flammspritzen oder dergleichen auf die Sperrschicht 46 aufgebracht worden ist, hat eine Schichtdicke, die vorzugsweise bei 100 µm bis 1000 µm liegt. Die Hartstoffschicht 50 kann, falls erforderlich, mit einer Verstärkungsschicht 52 versehen werden.
  • Figur 4 zeigt das Ergebnis. Der Schichtaufbau 42, 44, 46, 50, 52 bildet eine Schale 60, die auf der Schicht 20 aus polymerem Material aufgebaut ist. Durch die spanende Bearbeitung wird die freiliegende Seite der Schale 60 mit einer definierten Kontur versehen. Das Ergebnis ist in Figur 5 gezeigt.
  • Figur 6 zeigt den Prozeß des Verbindens der Schale 60 mit Polymerschicht 20 und Kern 30 mit einer Grundform 70, die bevorzugt aus Stahl besteht. Das Verbinden wird beispielhaft mit Bezug auf einen Lötvorgang beschrieben, andere Verbindungstechniken sind möglich.
  • Das Einlöten erfolgt bei einer Temperatur, bei der sich die Schicht 20 aus polymerem Material zersetzt. Wenn beispielsweise Zinnlot verwendet wird, ist eine geeignete Temperatur 400 °C, so daß, bei Aufbringen von Druck in Richtung der Pfeile F Verzüge eliminiert werden und guter Kontakt zwischen der Schale 60 und der Grundform 70 entsteht. Der Spalt zwischen Schale 60 und Grundform 70 kann somit minimiert werden, so daß nahezu kein Lot zwischen Schale 60 und Grundform 70 als eigenständige Schicht verbleibt. Das Lot diffundiert dabei praktisch vollständig in die Schale 60 und die Grundform 70 ein. Die zersetzte Schicht 20 kann über einen Sandstrahlprozeß oder einen anderen Reinigungsprozeß entfernt werden. Anschließend werden die Kupferschichten 42, 44 (Figur 3) durch einen Ätzprozeß abgetragen, so daß die Sperrschicht 46 (Figur 3) frei liegt. Diese Sperrschicht 46 kann nun im Produktionsprozeß, beispielsweise Abformung im Spritzguß, über Abrasion oder durch einen schonenden Sandstrahlprozeß entfernt werden, so daß die darunter liegende Hartstoffschicht 50 zum Vorschein kommt.
  • Figur 7 zeigt die fertige Endform mit Grundform 70, Schale 60 und strukturierter Oberfläche 12 der Hartstoffschicht 50 bzw. 52.
  • Mit der Erfindung können Werkzeuge für Stichtiefdruckformen, Spritzguß, Prägung und weitere Anwendungen hergestellt werden.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims (25)

  1. Verfahren zum Abformen mikrostrukturierter dreidimensionaler Freiformflächen, mit den Schritten:
    a) Abformen der mikrostrukturierten dreidimensionalen Freiformfläche mit einem Material mit Trennmitteleigenschaft für polymeres Material, um eine Abformung (10) der mikrostrukturierten Oberfläche (12) der Freiformfläche zu erhalten;
    b) Bereitstellen eines Kerns (30), dessen Oberfläche an die Kontur der Freiformfläche angepaßt ist;
    c) Beschichten der Abformung (10) mit einer Schicht (20) aus polymeren Material mit einer Dicke, die mindestens der Tiefe der Strukturen der mikrostrukturierten Oberfläche (12) entspricht;
    d) Aufsetzen der beschichteten Abformung (10) auf den Kern (30) und Verbinden der Schicht (20) aus polymerem Material mit dem Kern (30) unter externem Druck, so daß sich die beschichtete Abformung an den Kern (30) schmiegt;
    e) Abnehmen der Abformung (10) von dem Kern (30), wobei die Schicht (20) aus polymerem Material auf dem Kern (30) verbleibt;
    f) gegebenenfalls Aufbringen einer oder mehrerer Schichten (42, 44, 46) homogener Schichtdicke aus metallischem Material auf die freiliegende Schicht (20) aus polymerem Material;
    g) Aufbringen einer Hartstoffschicht (50), gegebenenfalls bei zwischengeschalteter Schicht oder zwischengeschalteten mehreren weiteren Schichten (42, 44, 46) auf die Schicht (20) aus polymerem Material;
    h) Bereitstellen einer Grundform (70), deren Kontur im wesentlichen der der freiliegenden Fläche (62) der Hartstoffschicht (50) und/oder einer Verstärkung (52) der Hartstoffschicht (50) entspricht;
    i) Verbinden der sich auf dem Kern befindenden freiliegenden Fläche (62) mit der Grundform (70) bei einer Temperatur, die höher ist als die Zersetzungstemperatur der Schicht (20) aus polymerem Material, dabei Zersetzen der Schicht (20);
    j) Entfernen der zersetzten Schicht (20); und
    k) gegebenenfalls Abtragen der einen oder der mehreren weiteren Schichten (42, 44, 46);
    so daß die Hartstoffschicht (50) mit mikrostrukturierter Oberfläche (12) freiliegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Schritt g) die Hartstoffschicht (50) chemisch oder galvanisch direkt auf der Schicht (20) aus polymerem Material-abgeschieden wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Schritt g) die Hartstoffschicht (50) physikalisch auf der einen oder den mehreren zwischengeschalteten Schichten (42, 44, 46) abgelagert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Hartstoffschicht (50) durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Plasmaspritzen, Kerosin-Flammspritzen oder anderen Spritztechniken abgelagert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Schritt g) die Hartstoffschicht (50) physikalisch direkt auf der Schicht (20) aus polymerem Material abgeschieden wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Schritt g) die Hartstoffschicht (50) in einer Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum aufgebracht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt f) aufweist:
    f1) Aufdampfen einer ersten Schicht (42) mit sehr geringer Schichtdicke aus metallischem Material auf die Schicht (20) aus polymerem Material;
    f2) Verstärken der ersten Schicht (42) durch eine zweite Schicht (44) mit homogener Schichtdicke.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (44) chemisch, galvanisch oder physikalisch abgeschieden wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem nach dem Schritt f) eine Sperrschicht (46), die chemisch oder galvanisch nicht angegriffen wird, auf die Schichten (42, 44) aus metallischem Material aufgebracht wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hartstoffschicht (50) anschließend an den Schritt g) galvanisch oder chemisch verstärkt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Hartstoffschicht (50) und/oder ihre Verstärkung (52) auf der der mikrostrukturierten Oberfläche (12) gegenüberliegenden freiliegenden Fläche (62) spanend bearbeitet werden, um eine Schale (60) mit definierter Kontur ihrer Oberfläche (62) zu erzeugen.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem im Schritt i) die freiliegende Fläche (62) mit der Grundform (70) verklebt wird, wobei das Klebmittel eine höhere Zersetzungstemperatur als das polymere Material der Schicht (20) hat.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem im Schritt i) die freiliegende Fläche (62) mit der Grundform (70) unter Druck verlötet wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem im Schritt i) die freiliegende Fläche (62) mit der Grundform (70) versintert wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem im Schritt i) zum Verbinden der freiliegenden Fläche (62) mit der Grundform (70)
    - die Grundform (70) vollständig in ein Bad aus bei niedriger Temperatur schmelzendem Metall eingetaucht wird;
    - der Kern (30) mit der freiliegenden Fläche (62) in die Form gedrückt wird;
    - das geschmolzene Metall aus dem Bad entfernt wird; und
    - die Grundform (70) und der Kern (30) unter hohem Druck für einige Stunden auf einer Temperatur gehalten werden, die niedriger ist als die Schmelztemperatur der Grundform (70) und der Schale (60).
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem im Schritt i) zum Verbinden der freiliegenden Fläche (62) mit der Grundform (70)
    - die freiliegende Fläche (62) und/oder die Grundform (70) chemisch, galvanisch oder physikalisch beschichtet werden; und
    - die Schale (60) und die Grundform (70) bei einer Temperatur, die niedriger ist als die Schmelztemperatur der Grundform (70) und der Schale (60), unter Druck verpreßt werden.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Schale (60) vor dem Schritt i) zum Reduzieren von Spannungen heißisostatisch gepreßt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem als polymeres Material Epoxydharz, das vorzugsweise ein keramisches Füllmittel enthält, eingesetzt wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem als metallisches Material für die erste und zweite Schicht (42, 44) Kupfer eingesetzt wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem als Material für die Sperrschicht (46) Silber eingesetzt wird.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem als Material für die Hartstoffschicht (50) Nickel, Nitride, Carbide, Carbonitride von Titan, Aluminium oder Mischungen daraus eingesetzt werden.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, bei dem die erste Schicht (42) mit einer Dicke kleiner als 10 µm aufgedampft wird.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei dem die zweite Schicht (44) mit einer Dicke im Bereich zwischen 50 µm und 150 µm aufgebracht wird.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, bei dem die Sperrschicht (46) mit einer Dicke im Bereich zwischen 3 µm und 8 µm aufgebracht wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, bei dem die Hartstoffschicht (50) mit einer Dicke im Bereich zwischen 100 µm und 1000 µm aufgebracht wird.
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