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Dokumentenidentifikation DE69010562T2 23.02.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0396114
Titel Gegenstände für die Übertragung von Flüssigkeiten und Herstellungsverfahren.
Anmelder Praxair S.T. Technology, Inc., Danbury, Conn., US
Erfinder Russsell, Morgan M., Indianapolis 46250, Indiana, US
Vertreter Schwan, G., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 81739 München
DE-Aktenzeichen 69010562
Vertragsstaaten CH, DE, ES, FR, GB, IT, LI
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 01.05.1990
EP-Aktenzeichen 901083139
EP-Offenlegungsdatum 07.11.1990
EP date of grant 13.07.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.02.1995
IPC-Hauptklasse B41N 7/06

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes für die Übertragung von Flüssigkeiten zum Gebrauch bei dem Übertragen einer genau bemessenen Flüssigkeitsmenge auf eine andere Oberfläche, wie z.B. eine Walze zur Verwendung bei Tiefdruckverfahren. Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem den durch das Verfahren hergestellten Gegenstand. Der Gegenstand zur Flüssigkeitsübertragung wird hergestellt durch Beschichten eines Substrates mit einer Schicht eines keramischen Werkstoffes oder eines Metallcarbids, deren Dichte über 95 % der theoretischen Dichte beträgt; gefolgt von dem Richten eines Laserstrahls einer Strahlung auf die beschichtete Oberfläche, um auf der beschichteten Oberfläche ein Muster aus Senkungen oder Vertiefungen zu erzeugen, die für die Aufnahme von Flüssigkeit geeignet sind; und dann dem Fertigbearbeiten der lasergravierten beschichteten Oberfläche auf eine Rauhheit von weniger als 0,15 um (6 uinch) Ra, vorzugsweise auf weniger als 0,10 um (4 uinch) Ra.

Hintergrund der Erfindung

Ein Gegenstand zur Flüssigkeitsübertragung, wie z.B. eine Druckwalze, wird in der Druckindustrie benutzt, um eine bestimmte Menge einer Flüssigkeit, wie z.B. Druckfarbe oder eine andere Substanz, von dem Gegenstand zur Flüssigkeitsübertragung auf eine andere Oberfläche zu übertragen. Der Gegenstand zur Flüssigkeitsübertragung weist im allgemeinen eine Oberfläche mit einem Muster aus Senkungen oder Vertiefungen auf, die für die Aufnahme einer Flüssigkeit geeignet sind, wobei das besagte Muster auf eine andere Oberfläche übertragen wird, wenn diese mit dem Gegenstand zur Flüssigkeitsübertragung in Kontakt gebracht wird. Wenn es sich bei der Flüssigkeit um Druckfarbe handelt und die Druckfarbe auf den Gegenstand aufgebracht wird, werden die Vertiefungen mit der Druckfarbe gefüllt, während jegliche Druckfarbe auf der verbleibenden Oberfläche oder dem Stegbereich des Gegenstandes abgestreift wird. Da sich die Druckfarbe nur in dem durch die Vertiefungen gebildeten Muster befindet, wird genau dieses Muster auf eine andere Oberfläche übertragen.

In der kommerziellen Praxis wird ein Abstreifer oder Rakel benutzt, um jegliche überschüssige Flüssigkeit von dem Stegbereich des Gegenstandes zur Flüssigkeitsübertragung zu entfernen. Falls die Oberfläche des beschichteten Gegenstandes zu rauh ist, wird überschüssige Flüssigkeit, wie z.B. Druckfarbe, nicht von dem rauhen Stegbereich des Gegenstandes vollständig entfernt werden, was zu der Übertragung von zu viel Druckfarbe auf die Aufnahmeoberfläche und/oder auf die falsche Stelle der Aufnahmeoberfläche führt. Daher sollte die Oberfläche des Gegenstandes zur Flüssigkeitsübertragung glatt sein, und die Vertiefungen sollten klar bestimmt werden, so daß diese die Flüssigkeit aufnehmen können.

Gravurwalzen werden üblicherweise als Walzen zur Flüssigkeitsübertragung benutzt. Gravurwalzen werden auch als Auftrags- oder Musterwalzen bezeichnet. Eine Gravurwalze wird hergestellt, indem unterschiedlich große Vertiefungen in Bereiche der Walzenoberfläche geschnitten oder eingraviert werden. Diese Vertiefungen werden mit Flüssigkeit gefüllt, und dann wird die Flüssigkeit auf eine Aufnahmeoberfläche übertragen. Der Durchmesser und die Tiefe der Vertiefungen können variiert werden, um das Volumen der Flüssigkeitsübertragung zu steuern. Die Plazierung der Vertiefungen sorgt für ein Muster der auf die Aufnahmeoberfläche zu übertragenden Flüssigkeit, während der die Vertiefungen bestimmende Stegbereich keinerlei Flüssigkeit enthält und daher keinerlei Flüssigkeit übertragen sollte. Der Stegbereich befindet sich bei einem gleichmäßigen Oberflächenpegel, so daß wenn Flüssigkeit auf die Oberfläche aufgebracht wird und die Flüssigkeit die Vertiefungen füllt oder flutet, überschüssige Flüssigkeit von den Stegbereichen entfernt werden kann, indem mit einem Rakel über die Walzenoberfläche gestreift wird.

Die Tiefe und Größe der Vertiefungen bestimmt die Menge von Flüssigkeit, die auf die Aufnahmeoberfläche übertragen wird. Durch Steuerung der Tiefe und Größe der Vertiefungen und der Plazierung der Vertiefungen (des Musters) auf der Oberfläche kann eine genaue Steuerung des zu übertragenden Flüssigkeitsvolumens und der Plazierung der auf eine Aufnahmeoberfläche zu übertragenden Flüssigkeit erreicht werden. Außerdem kann die Flüssigkeit in einem vorbestimmten Muster mit hoher Genauigkeit auf eine Aufnahmeoberfläche übertragen werden, wobei durch unterschiedliche Größe und/oder Tiefe der Vertiefungen unterschiedliche Druckdichten ausgebildet werden können.

Typischerweise bestehen Gravurwalzen aus Metall mit einer Außenschicht aus Kupfer. Im allgemeinen sind die für das Gravieren von Kupfer eingesetzten Gravurtechniken mechanische Verfahren, z.B. der Gebrauch einer Diamantnadel zum Ausheben des Vertiefungsmusters, oder photochemische Verfahren, die das Vertiefungsmuster chemisch ätzen. Nach Fertigstellung der Gravur wird die Kupferoberfläche üblicherweise mit Chrom beschichtet. Dieser letzte Schritt ist erforderlich, um die Lebensdauer der gravierten Kupferoberfläche der Walze zu verbesseru. Ohne die Chrombeschichtung verschleißen die Walzen schnell, und sie werden leichter durch die in der Druckindustrie benutzten Druckfarben korrodiert. Aus diesem Grund haben die Kupferwalzen ohne Chrombeschichtung im allgemeinen eine unannehmbar kurze Lebensdauer.

Doch selbst mit einer Chrombeschichtung ist die Lebensdauer der Walzen oft unannehmbar kurz. Dies liegt in der Schleifwirkung der Fluide und der durch das Rakel verursachten Schabwirkung. Bei vielen Anwendungen wird der rasche Verschleiß der Walzen durch das Bereitstellen von überdimensionierten Walzen ausgeglichen, welche Vertiefungen mit überdimensionierter Tiefe aufweisen. Diese Walzen haben jedoch den Nachteil, daß die Flüssigkeitsübertragung größer ist, wenn die Walzen neu sind. Außerdem nimmt das Volumen der auf eine Aufnahmeoberfläche übertragenen Flüssigkeit schnell ab, wenn die Walzen verschleißen, wodurch Probleme bei der Qualitätssteuerung auftreten. Der rasche Verschleiß der chrombeschichteten Kupferwalzen führt außerdem zu beträchtlichen Ausfallzeiten und Wartungskosten.

Viele Jahre wurden keramische Überzüge für Aniloxwalzen benutzt, um bei diesen für eine extrem lange Lebensdauer zu sorgen. Aniloxwalzen sind Flüssigkeitsübertragungswalzen, die ein gleichförmiges Flüssigkeitsvolumen über die gesamte Arbeitsfläche der Walze übertragen. Gravieren von mit keramischen Werkstoffen beschichteten Walzen kann mit den konventionellen Gravurverfahren, die zum Gravieren von Kupferwalzen benutzt werden, nicht ausgeführt werden. Infolgedessen werden mit keramischen Werkstoffen beschichtete Walzen mit einem Strahl hoher Energie graviert, z.B. mit einem Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl. Lasergravur führt zu der Ausbildung einer Vertiefung mit einer neuen, umgeschmolzenen Oberfläche über der ursprünglichen Oberfläche der Walze, wobei solch eine umgeschmolzene Oberfläche wie ein kleiner Vulkankrater aussieht. Dies wird durch die Verfestigung des schmelzflüssigen Materials verursacht, das von der Oberfläche aufgeworfen wird, wenn diese von einem Strahl hoher Energie getroffen wird. Genauer ist die Umschmelzung Beschichtungsmaterial, das eine lasergravierte Vertiefung umgibt, das nicht durch den Energiestrahl verdampft wurde und das sich erneut verfestigt.

Feruer ist von GB-A-2 049 102 eine Übertragungswalze zur Verwendung beim Übertragen von Druckfarbe oder einem anderen Mittel auf eine Druckwalze oder direkt auf zu bedruckendes Material bekannt, wobei diese Übertragungswalze eine Schicht aus korrosionsbeständigem Metall und einen äußeren keramischen Überzug aufweist, der geschliffen werden kann, um eine relativ glatte Oberfläche auszubilden. Der keramische Überzug besteht beispielsweise aus Aluminiumoxid, Titanoxid, Chromoxid, Nickeloxid, Wolframcarbid, Chromcarbid oder Borcarbid. In der keramischen Schicht wird mittels eines Pulslaserstrahls eine Vielzahl von Löchern oder Senkungen ausgebildet. Die Löcher können in jedem gewünschten Muster aufgebracht werden.

Die oben erwähnte umgeschmolzene Oberfläche beeinträchtigt nicht wesentlich die Funktion einer Aniloxwalze, da die gesamte Aniloxwalze graviert ist und kein Muster aufweist. Bei Tiefdruckverfahren, bei welchen ein Flüssigkeitsübertragungsmuster benötigt wird, verursacht die umgeschmolzene Oberfläche jedoch erhebliche Probleme. Der Hauptunterschied zwischen einer Gravurwalze und einer Aniloxwalze besteht darin, daß die gesamte Oberfläche der Aniloxwalze graviert ist, wohingegen bei einer Gravurwalze nur Bereiche der Walze graviert werden, um ein vorbestimmtes Muster zu erzeugen. Um bei der Gravurwalze Flüssigkeit in einer kontrollierten, durch das Muster bestimmten Weise zu übertragen, muß Fluid von den ungravierten Stegbereichen vollständig mit einem Rakel abgestreift werden. Jegliches Fluid, das auf den Stegbereichen verbleibt, nachdem diese mit einem Rakel abgestreift wurden, wird auf die Aufnahmeoberfläche aufgebracht werden, wo es nicht erwünscht ist. Bei einer lasergravierten Keramikwalze kann das Rakel aufgrund der umgeschmolzenen Oberflächen oder der Porosität der Stegbereiche, die einen Teil der Flüssigkeit zurückhalten, Flüssigkeit nicht vollständig von dem Stegbereich entfernen. Obschon für die meisten Druckanwendungen die umgeschmolzenen Oberflächen entfernt werden sollten, stellt die Porosität des Stegbereiches dennoch ein Hauptproblem dar, da Flüssigkeit auf dem Stegbereich gefangen und auf eine Aufnahmeoberfläche übertragen werden kann. Dieses Problem ist bei Übergangszonen zwischen benachbarten Vertiefungen und Mustern, wo die Flüssigkeit dazu neigt, sich auf die Stegbereiche zu verschmieren, wo sie nicht sein sollte, besonders bedeutsam.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gegenstand für die Übertragung von Flüssigkeiten, zu schaffen, der mit einem wenig porösen, hoch dichten keramischen Werkstoff oder Metallcarbid überzogen und lasergraviert ist, wie z.B. eine Druckwalze, die Stegbereiche, von welchen Flüssigkeit einfach und effizient abgestreift werden kann, und eine Mehrzahl von Vertiefungen zur Aufnahme eine bemessenen Menge von Flüssigkeit aufweist, die auf eine geeignete Aufnahmeoberfläche aufgebracht werden kann.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes für die Übertragung von Flüssigkeiten zu schaffen, der mit einem wenig porösen, hoch dichten keramischen Werkstoff oder Metallcarbid überzogen und lasergraviert ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Gegenstand für die Übertragung von Flüssigkeiten, der mit einem Werkstoff beschichtet ist, der aus der keramische Werkstoffe und Metallkarbid umfassenden Gruppe ausgewählt ist, wobei die beschichtete Oberfläche mit einem ersten Abschnitt, der eine Mehrzahl von lasergravierten, zur Aufnahme einer Flüssigkeit geeigneten Vertiefungen aufweist, und mit einem zweiten Abschnitt versehen ist, der Stegbereiche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegbereiche eine Oberflächenhärte von mindestens 800 HV0,3 und eine Dichte von mehr als 95 Prozent der theoretischen Dichte haben, daß jeglicher umgeschmolzener Werkstoff, der sich möglicherweise um jede Vertiefung herum gebildet hat, beseitigt ist, und daß die Oberfläche der Stegbereiche eine Oberflächenrauheit von weniger als etwa 0,15 um (6 Mikroinch) Ra aufweist.

Vorzugsweise haben die Stegbereiche eine Oberflächenhärte von mindestens 1000 HV0,3 und eine Dichte von mehr als 97 % der theoretischen Dichte, und die Oberfläche der Stegbereiche ist mit einer Oberflächenrauheit von weniger als etwa 0,10 um (4 Mikroinch) Ra versehen. Wie hier benutzt, ist Ra die mittlere Oberflächenrauhheit gemessen in um (uinch) nach dem ANSI-Verfahren B46.1, 1978. Bei diesem Meßsystem bedeutet eine höhere Zahl eine rauhere Oberfläche.

Die Stegbereiche mit diesen Eigenschaften werden wenig oder keine Oberflächenporosität zeigen, und sie werden ermöglichen, mit der Oberfläche in Kontakt tretende Flüssigkeit leicht und effizient unter Verwendung eines konventionellen Rakels abzustreifen. Wenn Flüssigkeit, z.B. Druckfarbe, auf der Oberfläche des Gegenstandes zur Flüssigkeitsübertragung abgelagert wird, wird daher die Flüssigkeit in die Vertiefungen fließen und in diesen verbleiben, während jegliche überschüssige Flüssigkeit von der Oberfläche der Stegbereiche abgestreift werden kann. Wenn der Gegenstand zur Flüssigkeitsübertragung eine Gravurwalze ist, wird dies gewährleisten, daß die Druckfarbe in den Vertiefungen auf eine geeignete Oberfläche übertragen werden kann, während der Bereich der Oberfläche, der mit den Stegbereichen der Walze in Kontakt tritt, vollständig frei von Druckfarbe oder Druckfarbenflecken sein wird.

Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Flüssigkeitsübertragungsgegenstandes zur Verwendung beim Übertragen von Flüssigkeit auf eine andere Fläche, bei dem:

(a) ein Gegenstand mit mindestens einer Schicht aus einem Werkstoff beschichtet wird, der aus der aus keramischen Werkstoffen und Metallkarbid bestehenden Gruppe ausgewählt ist: und

(b) die beschichtete Oberfläche mit einem Energiestrahl graviert wird, um in einem ersten Abschnitt der beschichteten Oberfläche eine Mehrzahl von Vertiefungen auszubilden, die zur Aufnahme einer Flüssigkeit geeignet sind, wobei ein zweiter Abschnitt der beschichteten Oberfläche Stegbereiche aufweist, die von dem Energiestrahl nicht berührt werden;

dadurch gekennzeichnet, daß

der Gegenstand in dem Verfahrensschritt (a) so beschichtet wird, daß die Oberfläche der aufgebrachten Schicht eine Dichte von mindestens 95 % der theoretischen Dichte hat und die Stegbereiche eine Oberflächenhärte von mindestens 800 HV0,3 haben; und

(e) die lasergravierte beschichtete Oberfläche behandelt wird, um jeglichen umgeschmolze nen Werkstoff der sich unter dem Einfluß des Energiestrahls möglicherweise um jede Vertiefung herum gebildet hat, zu entfernen und die Oberfläche der Stegbereiche mit einer Rauheit von weniger als 0,15 um (6 uinch) Ra, vorzugsweise weniger als etwa 0,10 um (4 uinch) Ra, zu versehen.

Im allgemeinen wird nach Aufbringen des Überzugs und falls benutzt des Dichtmittels, dieser mittels konventioneller Schleiftechniken auf die gewünschten Abmessungen und Toleranzen der Walzenoberfläche und auf eine Rauhheit von etwa 0,5 um (20 uinch) Ra oder weniger, vorzugsweise auf etwa 0,25 um (10 uinch) Ra, geschliffen, um für eine ebene Oberfläche für eine Laserbehandlung zu sorgen. Nach dem Lasergravieren werden die umgeschmolzenen Bereiche auf oder unter die ursprüngliche Oberflächenhöhe des beschichteten Gegenstandes vor der Lasergravur fertigbearbeitet, und die Stegbereiche werden fertigbearbeitet, um für eine Rauhheit von 0,15 um (6 uinch) Ra, vorzugsweise 0,10 um (4 uinch) Ra oder weniger zu sorgen. Bei weniger kritischen Anwendungen kann ein kleiner umgeschmolzener Bereich toleriert werden.

Wie oben erwähnt ist ein umgeschmolzener Bereich eine lasergravierte Vertiefung umgebendes Überzugsmaterial, das durch den Energiestrahl nicht verdampft wurde und das sich erneut verfestigt. Es wurde herausgefunden, daß sich das umgeschmolzene Material erheblich von dem ursprünglichen Überzug unterscheiden kann. Im allgemeinen kann es dichter und weniger poros als das ursprüngliche Material sein. Bei Mehrphasenüberzügen erscheint das umgeschmolzene Material typischerweise in einer einzigen Phase. Im allgemeinen ist das Entfernen des umgeschmolzenen Materials oberhalb der Oberfläche des Stegbereiches erforderlich, um einem Rakel zu ermöglichen, jegliche Flüssigkeit zu entfernen, damit diese nicht auf den Stegbereichen verbleibt. Dies wird verhindern, daß unerwünschte Flüssigkeit oder Flüssigkeitsflecken an den falschen Stellen auf eine Aufnahmeoberfläche übertragen werden.

Vorzugsweise könnte nach dem Verfahrensschritt (a) der folgende Verfahrensschritt hinzugefügt werden:

(a') Abdichten des beschichteten Gegenstandes mit einem Dichtmittel.

Ein geeignetes Dichtmittel wäre ein Epoxiddichtmittel wie z.B. das Dichtmittel UCAR 100, das von der Union Carbide Corporation, New York bezogen werden kann. UCAR 100 ist ein Warenzeichen der Union Carbide Corporation für ein wärmehärtbares Epoxidharz, das DGEBA enthält. Das Dichtmittel kann wirkungsvoll feine Mikroporen verschließen, die sich während dem Beschichtungsprozeß bilden können, und es kann daher für Beständigkeit gegenüber Wasser und alkalischen Lösungen sorgen, die während dem Gebrauch des beschichteten Artikels angetroffen werden können, während es auch für Widerstandsfähigkeit gegenüber Verunreinigungen sorgt die während der Handhabung des beschichteten Artikels angetroffen werden können.

Auf die Oberfläche der Walze kann jeder geeignete keramische Überzug aufgebracht werden, wie z.B. ein feuerfester Oxid- oder Metallcarbidüberzug. Zum Beispiel können Wolframcarbid-Kobalt, Wolframcarbid-Nickel, Wolframcarbid-Kobaltchrom, Wolframcarbid-Nickelchrom, Chrom-Nickel, Aluminiumoxid, Chromcarbid-Nickelchrom, Chromcarbid-Kobaltchrom, Wolfram-Titancarbid-Nickel, Kobaltlegierungen, Oxiddispersion in Kobaltlegierungen, Aluminium-Titanoxid, Kupferbasislegierungen, Chrombasislegierungen, Chromoxid, Chromoxid plus Aluminiumoxid, Titanoxid, Titan plus Aluminiumoxid, Eisenbasislegierungen, in Eisenbasislegierungen dispergiertes Oxid, Nickel und Nickelbasislegierungen und ähnliches benutzt werden. Vorzugsweise können Chromoxid (Cr&sub2;O&sub3;), Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Siliziumoxid oder Mischungen davon als das Beschichtungsmaterial benutzt werden, wobei Chromoxid am stärksten bevorzugt wird.

Die Keramik- oder Metallcarbidüberzüge können auf die Metalloberfläche der Walze durch eine von zwei bekannten Techniken aufgebracht werden, nämlich durch das Detonationskanonenverfahren oder das Plasmabeschichtungsverfahren. Das Detonationskanonenverfahren ist bekannt und vollständig in US-A-2 714 563, US-A-4 173 685 und US-A-4 519 840 beschrieben, wobei auf diese Veröffentlichungen in vollem Umfang Bezug genommen wird. Konventionelle Plasmatechmken zum Beschichten eines Substrats werden in US-A-3 016 447, US-A-3 914 573, US-A-3 958 097, US-A-4 173 685 und US-A4 519 840 beschrieben, wobei auf diese Veröffentlichungen in vollem Umfang Bezug genommen wird. Die Dicke des entweder durch das Plasmaverfahren oder durch das D-Kanonenverfahren aufgebrachten Überzugs kann im Bereich von 13 bis 2500 um (0,5 bis 100 mils) liegen, und die Rauhheit liegt im Bereich von etwa 1,3 um bis etwa 25 um (etwa 50 bis etwa 1000 uinch) Ra in Abhängigkeit von dem Verfahren, d.h. D-Kanone oder Plasma, der Art des Beschichtungsmaterials und der Dicke des Überzugs.

Wie oben erwähnt, kann der Keramik oder Metallcarbidüberzug auf der Walze vorzugsweise mit einem geeigneten Porendichtmittel behandelt werden, wie z.B. mit einem Epoxid- Dichtmittel, z.B. UCAR 100 Epoxid, das von der Union Carbide Corporation bezogen werden kann. Die Behandlung dichtet die Poren, um zu verhindein, daß Feuchtigkeit oder andere korrosive Materialien durch den Keramik- oder Metallcarbidüberzug dringen, um sich an die darunterliegende Struktur der Walze anzulagern und diese abzubauen.

Die beschichtete Walze wird dann auf eine Rauhheit von 0,5 um (20 uinch) oder weniger fertigbearbeitet, bevor sie unter Verwendung eines CO&sub2;-Lasers lasergraviert wird, um ein geeignetes Muster auszubilden, das durch die mittels Laser gebildeten Vertiefungen in der Oberfläche des Beschichtungsmaterials bestimmt ist.

Das Volumen der zu übertragenden Flüssigkeit wird durch das Volumen (Tiefe und Durchmesser) jeder Vertiefung und die Anzahl der Vertiefungen pro Flächeneinheit gesteuert. Die Tiefen der mittels Laser gebildeten Vertiefungen können von wenigen um oder weniger bis zu 120 bis 140 um oder mehr variieren. Der mittlere Durchmesser jeder Vertiefung wird natürlich durch das Muster und die Anzahl der mittels Laser gebildeten Vertiefungen per laufenden Zentimeter (inch) gesteuert. Vorzugsweise wird die Oberfläche des Gegenstandes in zwei Bereiche unterteilt. Ein Bereich weist Vertiefungen in einem gleichförmigen Muster auf wie z.B. in einem quadratischen Muster, einem 30º-Muster, oder einem 45º-Muster, wobei die Anzahl der mittels Laser gebildeten Vertiefungen per laufenden cm typischerweise zwischen 31 und 217 (80 und 550 pro inch) liegt, und der verbleibende zweite Bereich frei von Vertielungen ist (Stegbereiche). Die Anwesenheit von umgeschmolzenem Material auf den Stegbereichen würde dazu führen, daß Druckfarbe in den von Vertiefungen freien Bereich der Stegbereiche geschmiert wird, wenn ein Rakel über die Oberfläche geführt wird, um jegliche Flüssigkeit auf dem Stegbereich zu entfernen. Dieses Problem wird vermieden, indem das umgeschmolzene Material entfernt wird, um glatte Stegbereiche zwischen den Vertiefungen zu schaffen.

Es ist eine große Vielfalt von Lasevorrichtungen verfügbar, um Vertiefungen in den Keramik- oder Metallcarbidüberzügen auszubilden. Im allgemeinen können Laser benutzt werden, die einen Strahl oder Puls von Strahlung von 0,0001 bis 0,4 Joule pro Laserimpuls für eine Dauer von 10 bis 300 Mikrosekunden erzeugen können. Die Laserimpulse können in Abhängigkeit von dem speziellen gewünschten Vertiefungsmuster 30 bis 2000 Mikrosekunden auseinander liegen. Höhere oder niedrigere Werte für die Energie und die Zeitdauern können eingesetzt werden, und andere in der Techmk bereits verfügbare Lasergravurtechniken können für diese Erfindung benutzt werden. Nach dem Lasergravieren sollte die Rauhheit typischerweise im Bereich von 0,5 bis 25 um (20 bis 1000 uinch) Ra liegen, und bei den Vertiefungen kann der Durchmesser 10 um bis 300 um und die Höhe 5 um bis 250 um betragen.

Nach der Laserbehandlung der beschichteten Oberfläche des Gegenstandes zur Flüssigkeitsübertragung, wie z.B. einer Walze, kann die beschichtete Oberfläche auf weniger als etwa 0,15 um (6 uinch) Ra unter Verwendung einer Feinstbearbeitungstechnik (auch Superfinition genannt) geglättet werden, wie beschrieben in "Roll Superfinishing with Coated Abrasives" von Alan P. Dinsberg, Carbide and Tool Journal, Veröffentlichung März/April 1988. Feinstbearbeitungstechmken schaffen eine vorhersagbare konsistente Zurichtung der Oberfläche über die gesamte Länge der gravierten Walze, und sie schaffen eine Oberfläche, die frei von umgeschmolzenem Material ist, so daß die gesamte unerwünschte Flüssigkeit durch ein Rakel von den Stegbereichen effektiv entfernt werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

FIG. 1 ist ein Seitenriß einer Walze, der ein lasergraviertes Muster auf der Oberfläche der Walze zeigt.

FIG. 2 ist eine Querschnittansicht der Walze von FIG. 1 entlang Linie 2-2.

FIG. 3 ist ein Seitenriß der in FIG. 1 gezeigten Walze, nachdem die umgeschmolzenen Bereiche entfernt wurden.

FIG. 4 ist eine Querschnittansicht der Walze von FIG. 3 entlang Linie 4-4.

Die FIG. 1 und 2 zeigen eine konventionelle zylindrische Walze 2 mit einem aus Stahl hergestellten Substrat 4 und einem keramischen Oberflächenüberzug 6. Ein Teil der beschichteten Oberfläche ist mit einer Mehrzahl von Vertiefungen 8 dargestellt, die mittels einer konventionellen Lasergravurbehandlung ausgebildet wurden. Insbesondere wird die beschichtete Oberfläche unter Verwendung eines Lasers lasergraviert, um in der Überzugsschicht ein geeignetes Muster aus Vertiefungen 8 auszubilden, wobei jede Vertiefung 8 ein vorgewähltes Volumen hat. um eine auf eine Aufnahmeoberfläche zu übertragende Flüssigkeitsmenge aufzunehmen. In der Praxis wäre die Anzahl der Vertiefungen erheblich größer als die in den Figuren gezeigte, und diese wären in Gruppen zusammengeschlossen, so daß sie für das menschliche Auge nicht unterscheidbar wären. Die Tiefe der mittels Laser ausgebildeten Vertiefung kann von wenigen um oder weniger bis zu 200 um oder mehr betragen. Wie in den FIG. 1 und 2 gezeigt, führt das Lasergravieren zu der Ausbildung von Vertiefungen 8 mit einem neuen umgeschmolzenen Bereich 10, der um jede Vertiefung 8 gebildet wird. Die umgeschmolzene Oberfläche hat das Aussehen eines winzigen Vulkankraters, und sie wird durch das Verfestigen des schmelzflüssigen Überzugsmaterials gebildet, das von der Oberfläche der Überzugsschicht aufgeworfen wird, wenn die beschichtete Oberfläche von dem Hochenergiestrahl des Lasers getroffen wird.

Nach der Laserbehandlung der beschichteten Oberfläche des Gegenstandes zur Flüssigkeitsübertragting wird die beschichtete Oberfläche wie oben beschrieben unter Verwendung einer Feinstbearbeitungstechnik auf eine Rauhheit von weniger als etwa 0,15 um (6 uinch) Ra fertigbearbeitet. Die Feinstbearbeitungstechnik sorgt für ein vorhersagbares, konsistentes Oberflächenfinish über die gesamte Länge der beschichteten Oberfläche, und sie entfernt effektiv den umgeschmolzenen Bereich um jede Vertiefung. Die FIG. 3 und 4 zeigen die Walze 2 von FIG. 1 nachdem die Fertigbearbeitung abgeschlossen ist, bei welcher die umgeschmolzenen Bereiche 10 entfernt wurden, so daß eine glatte Oberfläche geschaffen wurde. Der Oberflächenbereich 12, welcher als der Bereich definiert wird, der in der zu der Längsachse 14 der Walze 2 parallelen Oberflächenebene enthalten ist, wird als der Stegbereich bezeichnet. Falls wie oben erwähnt der Stegbereich, der die Bereiche zwischen benachbarten Vertiefungen enthält, nicht über die geeignete Dichte verfügt, so daß die Oberfläche eine unerwünschte Porosität zeigt, kann es sein, daß das Rakel Flüssigkeit nicht erfolgreich von dem Stegbereich entfernt. Jegliche auf dem Stegbereich verbleibende Flüssigkeit kann als ein unerwünschter Schmierer auf eine Aufnahmeoberfläche übertragen werden, oder sie kann in den falschen Bereichen auf die Aufnahmeoberfläche übertragen werden.

Gemäß dieser Erfindung haben die Stegbereiche eine Dichte von mehr als 95 % der theoretischen Dichte und eine Oberflächenrauhheit von weniger als etwa 0,15 um (6 uinch) Ra, vorzugsweise weniger als etwa 0,10 um (4 uinch) Ra. Wenn die Stegbereiche diese Eigenschaften haben, kann jegliche auf den Stegbereichen befindliche Flüssigkeit leicht und effektiv durch ein Rakel entfernt werden, so daß die einzige auf eine Aufnahmeoberfläche übertragene Flussigkeit die in den Vertiefungen 8 enthaltene Flüssigkeit ist. Dies wird gewährleisten, daß die Flüssigkeit nicht auf den falschen Bereich der Aufnahmeoberfläche übertragen wird, und es wird auch unerwünschte Schmierer auf der Aufnahmeoberfläche verhindern.

Ein typisches Verfahren zum Feinstberarbeiten der lasergravierten, beschichteten Walze, besteht darin, ein filmgestütztes Diamantband kontinuierlich über die Oberfläche der Walze zu bewegen. Die Bandgeschwindigkeit und die Körnung können für die gewünschte Entfernungsrate von umgeschmolzenem Material eingerichtet werden, und sie liegt typischerweise zwischen 8 und 10 cm/min (3 und 4 inch/min). Wenn das Schleifband über die Walze bewegt wird könnte außerdem die Walze bei einer Drehzahl von 50 bis 100 U/min gedreht werden. Das Schleifband könnte durch konventionelle Mittel gegen die Walze gepreßt und so gesteuert werden, daß ein spezieller Rauhheitsgrad auf der Oberfläche der Walze erreicht wird. Die Ra-Rauhheit der Walze könnte kontinuierlich gemessen werden, bis ein gewünschter Wert erreicht ist.

Obschon die bevorzugte zu übertragende Flüssigkeit Druckfarbe ist, könnten andere geeignete Flüssigkeiten wie z.B. flüssige Klebstoffe eingesetzt werden.

Während des gesamten Fertigbearbeitungsprozesses wird empfohlen, eine akkurate Technik einzusetzen, die eine konstante Messung des Volumens der Vertiefungen in dem gravierten Bereich erlaubt, so daß das gewünschte Flüssigkeitsübertragungsvolumen der Vertiefungen in der beschichteten Walzenoberfläche erreicht wird. Eine bevorzugte Methode zum Messen des Flüssigkeitsübertragungsvolumens besteht darin, ein bekanntes Volumen an Druckfarbe auf die Oberfläche aufzubringen, und die Druckfarbe über die Oberfläche zu verteilen, um so viele Vertiefungen wie möglich vollständig zu füllen. Von dem mit Druckfarbe versehenen Bereich auf der Walze wird ein Druckfarbenabdruck gemacht, und die Fläche des Bildes oder Druckfarbenabdrucks auf einer Aufnahmeoberfläche wird dann genau gemessen. Das bekannte Volumen der auf der Walze abgelagerten Druckfarbe wird durch die gemessene Fläche des übertragenen Bildes geteilt, wobei der Quotient die Volumenkapazität der Walze darstellt. Da ein Mikroliter Druckfarbe einer Milliarde Kubikmikrometer entspricht, lautet die Einheit Milliarden Kubikmikrometer pro Quadratzentimeter (10&sup9; um³/cm²), wenn das Druckfarbenvolumen in Mikrolitern und die Fläche in Quadratzentimetern gemessen wird., oder sie lautet Milliarden Kubikmikrometer pro Quadratinch (BCM/in²), wenn das Druckfarbenvolumen in Mikrolitern und die Fläche in Quadratinch gemessen wird.

Beispiele

In den untenstehenden Beispielen wurde das Übertragungsvolumen wie folgt gemessen:

1. Unter Verwendung einer Pipette wird eine Probe von 25 ul einer wasserlöslichen Druckfarbe aufgezogen.

2. Druckfarbe wird auf der Oberfläche der Walze abgelagert, indem Druckfarbe langsam auf die Oberfläche der Walze aufgespritzt wird. Die Walze wird so ausgerichtet, daß ihre Achse horizontal verläuft, wobei die zu messende Oberfläche oben liegt. Die Pipette wird in einem Winkel von etwa 45º gehalten, während die Druckfarbe von einer Seite zur anderen über eine Länge von etwa 19 mm (3/4 inch) hin- und herbewegt wird, während die Pipette entlang der Walze geführt wird.

3. Die Druckfarbe wird verteilt, indem ein Rakel langsam und stetig über die Oberfläche um die Walze in einer Richtung lotrecht zu der Walzenachse geführt wird. Das Rakel wird in der gleichen Richtung geführt, wie das Aufbringen der Druckfarbe, so daß das Rakel mit dem im Vergleich zum nachkommenden Abschnitt großen Teil der abgelagerten Druckfarbe in Kontakt tritt.

4. Das Druckfarbenbild auf der Oberfläche der Walze wird auf Papier übertragen, indem Transferpapier über den Druckfarbenbereich gelegt wird. Während das Papier festgehalten wird, um ein Verrutschen zu verhindern, wird die Rückseite des Papiers gerieben, um Druckfarbe von den Vertiefungen in der Walze auf die Aufnahmeoberfläche zu übertragen. Es ist nicht erforderlich, die gesamte Druckfarbe in den Vertiefungen zu übertragen. da das Ziel darin besteht, ein Bild des mit einer bekannten Menge an Druckfarbe gefüllten Bereiches zu erhalten. Das Papier wird entfernt, und die Walzenoberfläche wird sofort mit destilliertem Wasser unter Verwendung einer Reinigungsbürste aus rostfreiem Stahl gesäubert. Falls der Rand des Bildes verlaufen ist, wird das Bild im trockenen Zustand mit einem schwarzen Faserstift umrandet, wobei der äußere Rand der Außenlinie auf halbem Weg zwischen der Stelle maximaler Bilddichte und der Stelle verläuft, wo das Bild verblaßt.

5. Die Fläche des Bildes wird gemessen, indem die Außenlinie des Bildes unter Verwendung von Standardtechniken mit einem Planimeter abgefahren wird. Alternativ kann eine Flächenmessung, ein manuelles Verfahren unter Verwendung eines Transferpapiers mit einem Gitternetz von etwa 5 mm (0,2 inch) oder ein Computerabtastverfahren benutzt werden.

Beispiel 1

Eine Walze mit einer zylindrischen Arbeitsfläche mit einem Durchmesser von 165 mm (6,5 inch) und einer Länge von 610 mm (24 inch) wurde durch das Plasmaspritzverfahren mit Cr&sub2;O&sub3; (Chromoxid) beschichtet. Die Oberfläche des Überzuges wurde auf ein Finish von 0,46 um (18 uinch) Ra geschliffen. Die Arbeitsfläche wurde mit einem CO&sub2;-Pulslaser lasergraviert. Die Oberfläche wurde in zwei Bereich unterteilt, einen ersten Bereich mit einem gleichförmigen Muster aus Laservertiefungen, und einen zweiten Bereich ohne Lasereindrücke (Stegbereiche), um über der gesamten Oberfläche ein Muster aus Laservertiefungen auszubilden. Das Muster der Laservertiefungen wurde erzeugt, indem der Laser so programmiert wurde, daß er nur über dem mit den Laservertiefungen gemusterten Bereich betrieben wurde.

Nach dem Ausbilden der Vertiefungen mit dem Laser wurde die Walzenoberfläche unter Verwendung eines Schleifmittels aus Diamantteilchen auf einem Band mit einer Breite von 102 mm (4 inch) feinstbearbeitet. Das Schleifband wurde über die Walze bewegt, während Druck aufgebracht wurde. Die Walze wurde mit 19 Querdurchläufen des Bandes über die Walzenoberfläche fertigbearbeitet. In Tabelle A sind die Körnung (mittlere Größe der Schleifpartikel in um) und der Druck gezeigt, mit welchem die Platte gegen die Walze drückt (gemessen als Luftdruck in einem Zylinder mit einem Durchmesser von 38 mm (1,5 inch), der benutzt wurde, um das Band gegen die Walzenoberfläche zu pressen).

Tabelle A
Durchlauf Körnung (um) Druck Volumen (10² um³)

Nach jedem zweiten Durchlauf wurden die Ra- und Druckfarbenvolumentests durchgeführt, und die nächsten zwei Schritte wurden wiederholt, bis die gewünschte Rauhheit erreicht war. Die Walze wurde dann dazu benutzt, Druckfarbe auf eine Aufnahmeoberfläche zu übertragen, und die übertragene Druckfarbe war nur die in den Vertiefungen enthaltene Druckfarbe, und der den Stegbereichen entsprechende Bereich der Aufnahmeoberfläche zeigte keine Anzeichen von Schmierern oder unerwünschter Druckfarbe.

Es wurden Probenwalzen untersucht, deren Oberflächen jeweils auf eine Rauhheit von 0,18 um (7 uinch) Ra oder mehr geschliffen war (6 oder weniger Durchläufe), um zu sehen, ob ein Rakel die Oberfläche jeder Walze sauber abstreifen könne. Bei allen Proben, bei welchen die Oberflächenrauhheit 0,18 um (7 uinch) Ra oder mehr betrug, hinterließ das Rakel unerwünschte Druckfarbe, die auf eine Aufnahmeoberfläche an den falschen Stellen übertragen werden könnte. Bei anderen Probenwalzen, bei welchen jeweils die Oberfläche der Walze auf eine Rauhheit von 0,13 um (5 uinch) Ra oder weniger fertigbearbeitet war (7 oder mehr Durchläufe), konnte das Rakel die Oberfläche jeder Walze sauber abstreifen, so daß keine Druckfarbe auf die Aufnahmeoberfläche in den falschen Stellen übertragen werden würde. Wenn ein Latex-Klebstoff als das flüssige Medium benutzt wird, sollte die Oberflächenrauhheit bei den meisten Anwendungen 0,10 um (4 uinch) Ra oder weniger betragen, um zu gewährleisten, daß kein unerwünschter Klebstoff auf der Oberfläche verbleibt, nachdem die Oberfläche durch das Rakel abgewischt wurde.


Anspruch[de]

1. Gegenstand (2) für die Übertragung von Flüssigkeiten, der mit einem Werkstoff beschichtet ist, der aus der keramische Werkstoffe und Metallkarbid umfassenden Gruppe ausgewählt ist, wobei die beschichtete Oberfläche mit einem ersten Abschnitt, der eine Mehrzahl von lasergravierten, zur Aufnahme einer Flüssigkeit geeigneten Vertiefungen (8) aufweist, und mit einem zweiten Abschnitt versehen ist, der Stegbereiche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegbereiche eine Oberflächenhärte von mindestens 800 HV0,3 und eine Dichte von mehr als 95 Prozent der theoretischen Dichte haben, daß jeglicher umgeschmolzener Werkstoff, der sich möglicherweise um jede Vertiefung (8) herum gebildet hat, beseitigt ist, und daß die Oberfläche der Stegbereiche eine Oberflächenrauheit von weniger als etwa 0,15 um (6 Mikroinch) Ra aufweist.

2. Gegenstand für die Übertragung von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, wobei die Oberflächenrauheit kleiner als etwa 0,10 um (4 Mikroinch) ist.

3. Gegenstand für die Übertragung von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, wobei der Beschichtungswerkstoff aus der Chromoxid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid und Gemische derselben umfassenden Gruppe ausgewählt ist.

4. Gegenstand für die Übertragung von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand (2) aus Stahl besteht, der mit Chromoxid beschichtet ist.

5. Gegenstand für die Übertragung von Flüssigkeiten nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die Dichte der Stegbereiche größer als 97 Prozent der theoretischen Dichte ist.

6. Gegenstand für die Übertragung von Flüssigkeiten nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei der Gegenstand eine zylindnsche Walze (2) ist.

7. Gegenstand für die Übertragung von Flüssigkeiten nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei der Gegenstand eine zylindrische Gravurwalze (2) ist.

8. Verfahren zum Herstellen eines Flüssigkeitsübertragungsgegenstandes (2) zur Verwendung beim Übertragen von Flüssigkeiten auf eine andere Fläche, bei dem:

(a) ein Gegenstand mit mindestens einer Schicht (6) aus einem Werkstoff beschichtet wird, der aus der aus keramischen Werkstoffen und Metallkarbid bestehenden Gruppe ausgewählt ist; und

(b) die beschichtete Oberfläche mit einem Energiestrahl graviert wird, um in einem ersten Abschnitt der beschichteten Oberfläche eine Mehrzahl von Vertiefungen (8) auszubilden, die zur Aufnahme einer Flüssigkeit geeignet sind, wobei ein zweiter Abschnitt der beschichteten Oberfläche Stegbereiche aufweist, die von dem Energiestrahl nicht berührt werden; dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand (2) in dem Verfahrens schritt (a) so beschichtet wird, daß die Oberfläche der aufgebrachten Schicht (6) eine Dichte von mindestens 95 Prozent der theoretischen Dichte hat und die Stegbereiche eine Oberflächenhärte von mindestens 800 HV0,3 haben; und

(c) die lasergravierte beschichtete Oberfläche behandelt wird, um umgeschmolzenen Werkstoff, der sich unter dem Einfluß des Energiestrahls möglicherweise um jede Vertiefung (8) herum gebildet hat, zu entfernen und die Oberfläche der Stegbereiche mit einer Rauheit von weniger als 0,15 um (6 Mikroinch) Ra zu versehen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem nach dem Verfahrensschritt (a) der folgende Verfahrensschritt eingefügt ist:

(a') Behandeln der beschichteten Oberfläche zur Erzielung einer Rauheit von weniger als 0,5 um (20 Mikroinch) Ra.

10. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem nach dem Verfahrensschritt (a) der folgende Verfahrensschritt eingefügt ist:

(a') Behandeln der beschichteten Oberfläche zur Erzielung einer Rauheit von weniger als 0,25 um (10 Mikroinch) Ra.

11. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem nach dem Verfahrensschritt (a) der folgende Verfahrensschritt eingefügt ist:

(a') Abdichten des beschichteten Gegenstandes mit einem Dichtmittel.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem nach dem Verfahrensschritt (a') der folgende Verfahrensschritt eingefügt ist:

(a") Behandeln der beschichteten Oberfläche zur Erzielung einer Rauheit von weniger als 0,5 um (20 Mikroinch) Ra.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem im Verfahrensschritt (c) die Rauheit der Stegbereiche kleiner als etwa 0,10 um (4 Mikroinch) Ra ist.

14. Verfahren nach Anspruch 8 oder 13, bei dem im Verfahrensschritt (a) der Beschichtungswerkstoff aus der Chromoxid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid und Gemische derselben bestehenden Gruppe ausgewählt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 8 oder 13, wobei im Verfahrensschritt (a) der Gegenstand aus Stahl besteht und der Beschichtungswerkstoff Chromoxid ist.







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