Werthmann Engraving GmbH Wolfersstraße 28, 47807 Krefeld
"Verfahren zum Herstellen von flächen- und tiefenvariablen Prägewerkzeuqen"
Flächen- oder walzenförmige Prägewerkzeuge dienen zum Herstellen von kunststoffbeschichteten Preßlaminaten, beispielsweise von dessinierten Bändern, bei dem das Preßgut mit Hilfe einer Walze unter Einwirkung von Hitze und Druck geformt und ein- oder beidseitig mit einer dekorativen, bei- spielsweise der Natur nachgebildeten Oberflächenstruktur (Dessin) versehen wird.
Kunststoffbeschichtete dekorative Preßlaminate für die Möbelindustrie und den Innenausbau bestehen üblicherweise aus platten- oder bahnförmigen Holzwerkstoffen, wie sie auch beim Herstellen von Span- und Hartfaserplatten zur Verwendung kommen, sowie einer durch Heißpressen aufgebrachten Deckschicht aus einem kunstharzimprägnierten bedruckten, d.h. dekorativen Papier mit vergüteter, beispielsweise nach Art einer naturgerechter Holzmaserung strukturierter Oberfläche.
Das Aufbringen der Deckschicht, das Strukturieren der Deckschichtoberfläche und das Aushärten des Kunstharzes geschieht durch Heißpressen zwischen einem Ober- und einem Unterwerkzeug, von denen mindestens eines eine der gewünschten Laminatoberfläche entsprechende, jedoch negative Prägestruktur, beispielsweise eine Gewebe-, Faser- oder Kornstruktur besitzt. Mit Hilfe der Oberflächenbeschaffenheit der Preßwerkzeuge lassen sich am Laminat unterschiedliche Oberflächeneffekte, insbesondere matte, glän-
zende und/oder strukturiete Oberflächen erzeugen. Dabei kommen kontinuierlich arbeitende Preß-Anlagen mit einer Prägewalze und einer Gegenwalze zur Verwendung, denen einlaufseitig - von oben nach unten - eine Deckschichtbahn, eine den Kern bildende Bahn aus Kraftpapier, Holzmaterial oder Glasfaser und - im Hinblick auf ein verzugfreies, planebenes Laminat - eine untere Deckschichtbahn zugeführt werden.
Um das zu ermöglichen, ist es erforderlich, mindestens eine der Walzen mit einer entsprechenden Oberflächenstruktur bzw. Gravur zu versehen, die dem Negativ einer Vorlage bzw. eines Prägemusters entspricht. Dies geschieht üblicherweise durch Ätzen, d.h. durch ein chemisches Abtragen mit Hilfe von Säuren. Dies geschieht beispielsweise so, dass ein Filmnegativ der Vorlage, beispielsweise einer Leinenstruktur, auf die mit einer lichtempfindlichen Schicht versehene Walzenoberfläche gebracht und sodann belichtet wird. Dabei härten die durch die transparenten Stellen des Filmnegativs durchdringenden Lichtstrahlen die Fotoschicht aus. Nach dem Entfernen des Negativs lassen sich die nicht belichteten bzw. nicht gehärteten Bereiche der Fotoschicht entfernen und dabei gleichzeitig die darunter befindliche metallische Oberfläche freilegen. Alsdann findet ein Ätzen bis auf eine Tiefe statt, die gewährleistet, dass das Werkzeug beim späteren Prägen den Ätzgrund nicht berührt. Dadurch soll verhindert werden, dass sich die rauhe Oberfläche des Ätzgrundes nicht auf die Blechoberfläche überträgt.
Beim Ätzgravieren wird auf die Werkzeugoberfläche eine dem Prägemuster entsprechenden sogenannte Ätzreserve bzw. Maske, d.h. ein Muster aus säurebeständigem Kunststoff aufgetragen. Beim anschließenden Ätzen werden in den kunststofffreien Bereichen zwischen der Ätzreserve mit Hilfe einer Ätzsäure Vertiefungen erzeugt. Sind Vertiefungen mit unterschiedlicher Tiefe und/oder variierendem Durchmesser erforderlich, dann muß das Ätzen mehrstufig, jeweils mit einer flächenmäßig unterschiedlichen Ätzereserve geschehen. Die Ätzgravur eines mehrstufigen Ätzens ist durch scharfkantige Konturen gekennzeichnet; stetige Übergänge, d.h. Vertiefungen mit jeweils
für sich unterschiedlicher Tiefe und variierendem Durchmesser, wie beispielsweise im Falle einer kalottenförmigen oder einer im Querschnitt dreieckförmigen Vertiefung, sind dabei nicht möglich, so daß ein naturgetreues Abbild, beispielsweise einer Holz- oder Lederoberfläche nicht möglich ist.
Das Ätzgravieren ist sehr aufwendig, zumal das Arbeiten mit Säuren schwierig ist, besondere Vorsichtsmaßnahmen erfordert und Entsorgungsprobleme mit sich bringt.
Aus der deutschen Patentschrift 195 44 272 ist auch bereits ein Verfahren zum Herstellen einer flächenvariablen Tiefdruckwalze bekannt, bei dem die Walzenoberfläche mit einem thermosensitiven, säure- und/oder elektrolytbeständigen Lack beschichtet, die Beschichtung mit Hilfe eines thermisch wirk- samen, focussierten Laserstrahls einer Vorlage entsprechend rasterförmig abgetragen, sodann die freiliegenden metallischen Bereiche durch Ätzen oder Elektrolyse abgetragen und abschließend die verbliebene Beschichtung chemisch und/oder physikalisch entfernt wird.
Auch die Anwendung dieses Verfahrens zum Herstellen von Prägewalzen ist nicht geeignet, Preßlaminate mit einer naturgetreuen Feinstruktur herzustellen, weil das Abtragen der Beschichtung zum Herstellen einer Ätzmaske nichts daran ändert, daß sich mit einer solchen lediglich flächenvariablen Druckwalze keine naturgetreuen Oberflächenstrukturen erreichen lassen, die eine dreidimensionale Kontur, d.h. eine tiefen- und flächenvariablen Struktur der Walzenoberfläche zur Voraussetzung haben, um beispielsweise ein Laminat herzustellen, dessen Erscheinungsbild sich, wenn überhaupt, nur wenig von natürlichem Leder oder feinfasrigem Holz unterscheidet.
In der Erkenntnis, daß sich eine solche naturgetreue Feinstruktur nur mit Hilfe einer flächen- und tiefenvariablen Prägewalze herstellen läßt, besteht
das der Erfindung zugrundeliegende Problem in erster Linie darin, ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Prägewalze vorzuschlagen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, einen Walzenrohling mehrstufig jeweils mit einer ätzbeständigen Beschichtung zu versehen und mit Hilfe einer Reliefwalze mit vorgegebener Oberflächenstruktur physikalisch partiell zu entschichten. Die entschichteten Stellen werden so oft und solange geätzt sowie zwischen dem Ätzen jeweils erneut beschichtet und entschichtet, bis das Relief der Walze mindestens zum Teil auf den Walzen- rohling übertragen und dort eine entsprechende reliefartige Vorgravur entstanden ist. Die erste Verfahrensstufe besteht daher aus einer Abfolge von Beschichten, Entschichten, Ätzen und erneutem Beschichten, bis die gewünschte Vorgravur erreicht ist. Dies geschieht mit Hilfe einer Reliefwalze, deren Relief noch nicht ganz dem Negativ einer originären Vorlage ent- spricht. Diesen Zustand erreicht der Walzenrohling erst in einer zweiten Verfahrensstufe.
In der zweiten Verfahrensstufe wird auf die reliefartige Oberfläche des Walzenrohlings mindestens einmal eine laserempfindliche Beschichtung aufge- tragen und mittels eines thermisch wirksamen Laserstrahls entsprechend einer zweiten Strukturvorlage (flächen- und tiefenvariabel) abgetragen und auf den so freigelegten Flächen durch Ätzen eine vorlagegetreue Prägegravur erzeugt sowie schließlich die verbleibenden Teile der Beschichtung entfernt. Dieser Vorgang kann sich mehrmals wiederholen, bis die Oberflächen- Struktur der Walze der zweiten Vorlage und damit der originären Vorlage entspricht.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht schon in der ersten Verfahrensstufe, und zwar schrittweise eine vieldimensionale Gravur, die in Ab- hängigkeit von der Oberflächenstruktur der Reliefwalze der angestrebten Gravur der Prägewalze sehr nahekommen kann. Im Einzelfall hängt das davon ab, inwieweit die Oberflächenstruktur der Reliefwalze der natürlichen
oder naturgetreuten originären Vorlage entspricht. Mit anderen Worten: Das als Vorlage dienende originäre Muster wird in der ersten Verfahrensstufe, nur zum Teil auf den Walzenrohling übertragen, während die Fertigstellung der Oberflächenstruktur bis zur mustergerechten Übertragung der Oberflä- chenstruktur des als Vorlage dienenden Musters in der zweiten Verfahrensstufe an dem vorstrukturierten Walzenrohling geschieht. Dabei werden in jeder der beiden Verfahrensstufen eine Folge dreidimensionaler Gravuren erzeugt, die schrittweise eine mustergetreue Gravur ergeben.
Der Walzenrohling kann aus einem gehärteten Stahl, beispielsweise aus dem Werkstoff 1.2379 bestehen. In diesem Falle beschränkt sich die Wirkung der Reliefwalze im wesentlichen auf das bloße partielle Abtragen bzw. Kontaktentschichten der ätzebeständigen Beschichtung durch die lackabtragenden Erhebungen der Reliefwalze bis zum vollständigen Kontakt der einander gegenüberliegenden Oberflächen der beiden Walzen. Handelt es sich jedoch um einen Walzrohling mit geringerer Verformbarkeit als die Reliefwalze, dann können beim Entschichten die zu entschichtenden Stellen gleichzeitig auch dreidimensional mechanisch vertieft werden. Andererseits läßt sich eine Vertiefung der entschichteten Stellen auch mit Hilfe einer ent- sprechend oberflächenstrukturierten besonderen Vertiefungswalze in einem zwischengeschalteten Vertiefungsschritt erreichen.
Insgesamt eröffnet das erfindungsgemäße Verfahren auf diese Weise die Möglichkeit, die Härte bzw. Verformbarkeit der Werkstoffe beider Walzen so aufeinander abzustimmen, daß die Zwischengravur des Walzenrohlings am Ende des ersten Verfahrensstufe ausschließlich durch Ätzschritte oder ätzmechanisch, d.h. durch Ätzen und dreidimensionales mechanisches Vertiefen entsteht.
Schließlich kann auf die Prägegravur im Anschluß an die zweite Verfahrensstufe noch mit Hilfe eines Schreiblaserstrahls direkt eine besondere Fein-
struktur übertragen werden. Des weiteren kann die Prägegravur oder die Feinstruktur gebürstet und/oder elektrolytisch poliert werden.
Die endgültige Oberflächenstruktur des Walzenrohlings bzw. der fertigen Prägewalze wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt durch die Oberflächenstruktur der Reliefwalzen sowie die in der zweiten Verfahrensstufe aus der mit Hilfe der Reliefwalze erzeugten Vorstruktur entstehende Ätzgravur.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
Fig. 1 eine Reliefwalze in bloßer Berührung mit einem Walzenrohling,
Fig. 2 die beiden Walzen während des Hersteilens der Vorstruktur in der ersten Verfahrensstufe,
Fig. 3 die beiden Walzen in der Schlussphase der ersten Verfahrensstufe,
Fig. 4 den Walzenrohling gemäß Fig. 3 mit seiner Vorstruktur ihrer Oberfläche zu Beginn der zweiten Verfahrensstufe und
Fig. 5 ein Reliefbild zur Veranschaulichung der mit dem erfindungsgemä- ßen Verfahren erreichbaren vieldimensionalen Prägegravur.
Das naturgetreue bzw. mustergerechte Übertragen einer Oberflächenstruktur auf die Oberfläche einer Prägewalze geschieht in einer ersten Verfahrensstufe mit Hilfe einer beispielsweise anstellbaren Reliefwalze 1 und eines vor- zugsweise stationär angeordneten Walzenrohlings 2, beispielsweise aus einem gehärteten Stahl mit einer Härte von 65 HRC.
Die Reliefwalze kann von Hand graviert werden oder von einer Naturvorlage in Form eines Gewebes, eines Leders oder einer Steinstruktur wie Schiefer. Davon wird galvanisch eine vornehmlich aus Nickel bestehende Platte hergestellt.
Die Oberfläche der Naturvorlage wird mit einer stromleitfähigen Lösung besprüht und so leitfähig gemacht. Dann wird die Vorlage in ein galvanisches Bad mit Kathode und Anode gehängt und auf der Oberfläche der Naturvorlage eine Nickelschicht mit etwa 1 ,5 mm Dicke aufgetragen. Die Vorlage wird dann von der Nickelschicht getrennt, deren Oberflächenstruktur das negative Abbild der Naturvorlage darstellt.
Die Nickelplatte wird dann auf einen Tisch gespannt und die zunächst noch glatte Reliefwalze mit säurefestem Lack versehen, dann leicht gegen die Nickelplatte gedrückt. Die erhabensten Stellen der Nickelplattenstruktur berühren die glatten Flächen der Reliefwalze. Der säurefeste Lack der Reliefwalze wird auf die erhabenen Stellen der Nickelplatte übertragen. Die Lackrückstände können mittels Stofflappen von der Nickelplatte entfernt werden, so dass blanke Stellen auf der Reliefwalze sichtbar werden. Diese werden dann in einem separaten Arbeitsgang leicht geätzt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt bis sich die Struktur der Nickelplatte auf die Reliefwalze übertragen hat.
Danach wird die Naht, die quer zur Abwicklungsrichtung entstanden ist von Hand nachgearbeitet und die Reliefwalze abschließen gehärtet.
Die beiden durchmessergleichen Walzen 1 , 2 sind in einem nicht dargestellten Duo-Walzengerüst angeordnet, wie es beispielsweise beim Kaltwalzen von Blech zur Verwendung kommt. Die Breite des Walzenrohlings ent- spricht der Breite der Reliefwalze oder einem Vielfachen der Reliefwalzenbreite. Die Reliefwalze 1 besitzt eine einer negativen Vorlage entsprechende positive Oberflächenstruktur 3 zur Erzeugung einer negativen Vorstruktur
bzw. Gravur an der Oberfläche 4 des Walzenrohlings 2. Dem entsprechend ist auch die Gravur der Prägewalze negativ. Wird die Prägewalze nicht direkt zum Prägen des Laminats eingesetzt, sondern zum Herstellen eines Prägewerkzeugs in Gestalt eines Bleches oder Bandes mit negativer Oberflächen- Struktur, dann ist die Oberflächenflächenstruktur der Prägewalze positiv und demgemäß die Oberflächenstruktur der Reliefwalze negativ.
Die Walzenoberfläche 4 ist mit einer ätzsäurebeständigen Beschichtung 5 versehen, die während jeweils einer Umdrehung der beiden synchron ange- triebenen Walzen 1 , 2 von den die Schicht berührenden Kuppen 6 des Reliefs 3 der Walze 1 jeweils im Bereich der Berührung aufgenommen wird.
Das Relief 3 der Reliefwalze 1 entspricht nur näherungsweise dem gewünschten Dessin (originäre Vorlage) und gibt beispielsweise die dreidimen- sionale Welligkeit eines Büttenpapiers oder eine Leinenstruktur nur grob wieder.
Nach einer Umdrehung der beiden Walzen 1 , 2 wird die Reliefwalze 1 gereinigt, d.h. der an den Reliefkuppen 6 anhaftende Lack wird nach dem Abhe- ben der Reliefwalze 1 von dem Walzenrohling 2 beispielsweise von Hand mit Hilfe eines Putzlappens entfernt. Anschließend werden die nunmehr freiliegenden metallischen Flächen des Walzenrohlings 2 tiefgeätzt. Nach dem Ätzen wird der Walzenrohling 2 erneut beschichtet sowie die Reliefwalze 1 wiederum angestellt, bis ihre Reliefkuppen 6 den in den Ätzvertiefungen 7 des Walzenrohlings befindlichen Lack erreichen und aufnehmen können. Mit anderen Worten: Die Reliefkuppen 6 dringen in die Vertiefungen 7 ein, entfernen während einer Umdrehung der beiden Walzen 1 , 2 dort den Lack und legen so die gesamte Oberfläche der Ätzvertiefungen 7 für ein anschließendes nochmaliges Tiefätzen frei. Die Folge davon ist, dass der Ätzangriff vieldimensional ist, d.h. nicht nur senkrecht zur Walzenoberfläche, sondern auch seitlich an den Flanken der sich von Ätzschritt zu Ätzschritt vergrößern-
den Vertiefungen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfasst der Ätzangriff die gesamte Oberfläche jeder Vertiefung.
Der zuvor geschilderte Verfahrensablauf aus Beschichten des Walzenroh- lings, Anstellen der Reliefwalze, partiellem Abtragen der Lackschicht, Reinigen der Reliefwalze, Tiefätzen des Walzenrohlings und dessen erneutem Beschichten nach einem Entfernen des Lackrestes aus der ersten Beschichtung wiederholt sich so lange, bis entsprechend der zeichnerischen Darstellung in Fig. 3 die beiden Walzen 1 , 2 während ihrer Umdrehung stets formschlüssig ineinandergreifen, d.h. bis die Oberflächenstruktur der Reliefwalze auf den Walzenrohling 2 übertragen und damit die erste Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens beendet ist.
In der zweiten Verfahrensstufe wird der mit der vieldimensionalen Vorstruktur 8 versehene Walzenrohling 1 in eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Ätzmaske mit Hilfe eines Laserstrahls nach Art des Scanning-Laserabtra- gens eingebracht. Dabei wird eine Bild- bzw. Reprovorlage mittels eines Laserstrahls abgetastet und auf eine laserempfindliche Beschichtung übertragen. Die Vorrichtung ist mit einem längs und quer zu dem Walzenrohling 2 verfahrbaren Laser 9 ausgestattet, dessen thermisch wirksamer Strahl 10 in der Lage ist, die zuvor auf die Walzenoberfläche aufgebrachte laserempfindliche Schicht 11 entsprechend einer Fertig-Strukturvorlage abzutragen, um auf diese Weise eine Ätzmaske für ein anschließendes Ätzen zu schaffen.
Das zuvor geschilderte Beschichten, Laser-Abtragen und Ätzen kann sich mehrmals wiederholen, bis schließlich die der Fertig-Vorlage entsprechende negative Oberflächenstruktur der Walze 1 erreicht ist. Dabei kann sich dem letzten Ätzschritt das Aufbringen einer Feinstruktur mit Hilfe des Scanning- Laser-Verfahrens anschließen. Der dabei entstehende Abbrand lässt sich beispielsweise durch Bürsten entfernen. Das direkte Lasern kann sich auch mehrmals wiederholen, um eine tiefergehende MikroStruktur zu erreichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt eine Prägegravur, wie sie das Reliefbild der Figur 5 erkennen läßt. Kennzeichnend daran ist ein vieldimensio- nares Höhenprofil.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Walzenrohling auch aus einer Trommel bestehen, auf die ein Blech gespannt ist. Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Prägegravur versehene Blech dient im planparallelen Zustand dann als Prägewerkzeug.