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Dokumentenidentifikation DE102006004644B4 20.12.2007
Titel Werkzeug und Verfahren zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Stenzel, Volkmar, 27321 Thedinghausen, DE;
Kaune, Martin, 28213 Bremen, DE;
Föste, Volker, 28325 Bremen, DE
Vertreter Eisenführ, Speiser & Partner, 28195 Bremen
DE-Anmeldedatum 31.01.2006
DE-Aktenzeichen 102006004644
Offenlegungstag 09.08.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 20.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse B81C 5/00(2006.01)A, F, I, 20060131, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B81C 1/00(2006.01)A, L, I, 20060131, B, H, DE   B62D 29/00(2006.01)A, L, I, 20060131, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, Systeme zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, Verfahren zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, einen Gegenstand umfassend eine Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer mehrfach gekrümmten Substratoberfläche sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges oder eines erfindungsgemäßen Systems zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche. Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen und den Patentansprüchen.

Die vorliegende Erfindung steht im engen Zusammenhang mit dem Inhalt der eigenen Veröffentlichungen WO 2005/030472 A1 sowie DE 103 46 124 A1 bzw. DE 103 46 124 B4, deren vollständiger Inhalt im Wege der Verweisung Bestandteil des vorliegenden Textes ist.

Mikrostrukturierte Oberflächen werden in zunehmendem Maße für spezielle Funktionen benötigt. Beispielhaft zu nennen sind hier Oberflächen mit der Lotusblattstruktur oder strömungsbegünstigende Oberflächen. Produkte, die mit strömungsbegünstigten, sogenannten „Riblet"-Oberflächen hinsichtlich Geschwindigkeit und Energieverbrauch optimiert werden können, sind grundsätzlich Objekte, die einerseits selbst bewegt werden, wie beispielsweise Flugzeuge, Schienenfahrzeuge, Automobile, Schiffe oder auch Rotorblätter von Windkraftanlagen und andererseits Objekte, um die herum oder durch die eine Bewegung stattfinden soll, wie z. B. Architekturbauwerke (z. B. Fassadenbauelemente) oder Pipelines. Zusätzlich dienen mikrostrukturierte Oberflächen dazu, Verschmutzungen oder Bewuchs (insbesondere bei Schiffen) zu vermindern.

Derartige Oberflächenstrukturen werden häufig durch Extrusions- oder Prägeverfahren als Folien erzeugt, die anschließend auf das jeweilige Werkstück geklebt werden. Dieses Verfahren hat folgende Nachteile:

  • – Die Klebung einer Folie auf doppelt gekrümmten Flächen (z.B. auf Flugzeugtragflächen oder Rotoren für Windkraftanlagen) ist schwierig bis unmöglich.
  • – Die Klebung kann sich im Betrieb ablösen.
  • – Eine Folie bringt zusätzliches Gewicht auf das Werkstück. Dies wirkt der beabsichtigten Energieeinsparung beispielsweise im Falle von strömungsbegünstigten Oberflächen an Fahrzeugen entgegen.
  • – Zusätzlich verbraucht eine Folie auch Volumen, was im Falle von Pipelines zu einem verringerten Innenvolumen oder dem Bedarf an einem vergrößerten Außenvolumen führt.

Zur Strukturierung von Folien sind Prägeverfahren bekannt, die Folien oder folienartige Materialien in stationären Maschinen prägen. So offenbaren Reiner Mehnert, A. Sobottka und Ch. Elsner in „Microstructured Polyacrylate Surfaces Generated by UV&EP Curing", Proc. RadTech Europe, 08.–10., Basel (2001) 603–608 eine Vorrichtung, bei der eine Folie über eine Walze geführt wird, deren Oberfläche als Matrize ausgebildet ist. Gleichzeitig mit dem Abdruck der Matrize in die Folie wird die (zukünftige) Oberfläche der Folie durch Durchstrahlen der Folie mit Elektronen oder UV-Strahlung ausgehärtet.

Eine ähnliche Vorrichtung wird auch in der DE 196 13 383 C1 offenbart, in der eine Gelatinefolienbahn zwischen zwei Walzen hindurchgeführt wird, wobei eine von den Walzen an ihrer Oberfläche eine Matrize umfasst.

Die EP 0 205 289 A1 offenbart ein Verfahren, in dem ebenfalls über eine Walze eine Mikrostruktur auf einer Folie angebracht wird.

Den drei genannten Verfahren bzw. Vorrichtungen ist gemein, dass das Material, dessen Oberfläche mikrostrukturiert werden soll, eine flexible Folie ist, die über die Andruckwalze geführt werden kann. Keines dieser Dokumente zeigt eine Möglichkeit auf, mittels derer man mit einer Walze eine Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, z. B. der Oberfläche eines unflexiblen, starren Gegenstandes wie beispielsweise eines Fahrzeugbauteiles aufbringen kann. Insbesondere liefern die erwähnten Vorrichtungen oder Verfahren keinen Hinweis darauf, wie man oder dass man insoweit auf eine Folie verzichten könnte.

Um keine Folie verwenden zu müssen, wäre es im Grunde günstig, einen Lack, der z.B. auf Fahrzeugoberflächen aufgebracht wird, direkt zu strukturieren. Eine Prägung eines noch nicht ausgehärteten Lackes durch einen kurzzeitigen Kontakt mit einem Prägewerkzeug ist aber nicht in einer für bestimmte Anwendungen (z.B. für eine strömungsgünstige Oberfläche) ausreichenden Qualität ohne weiteres möglich, da herkömmliche Nasslacke kein Zeitfenster bieten, innerhalb dessen der Lack noch verformbar ist und andererseits nach dem Kontakt mit dem Prägewerkzeug nicht mehr verfließt. Darüber hinaus ist der Lack im nichtausgehärteten Zustand extrem klebrig und bleibt beim Abnehmen des Prägewerkzeugs daran kleben, auch wenn die Oberflächenenergie des Prägewerkzeugs extrem niedrig ist (z.B. kleiner als 25 mN/m).

Verfahren zur Nano- und Mikrostrukturierung von Lacken sind bekannt, z.B. um Hologramme in der Lackschicht zu erzeugen. So offenbart beispielsweise die WO 00/30869 A1 Verfahren zur dekorativen Gestaltung einer lackierten Substratoberfläche, bei dem ein durch UV-Strahlung vernetzbarer Lack durch eine Matrize hindurch mittels UV-Strahlung ausgehärtet wird.

Auch in der bereits erwähnten DE 196 13 383 C1 ist eine durchstrahlbare Matrize offenbart; die Aushärtung der mikrostrukturierbaren Oberfläche erfolgt in diesem Fall mittels UV-Strahlung durch die Matrize hindurch; das offenbarte Verfahren ist jedoch nicht für größere Substratoberflächen geeignet.

Weiterer Stand der Technik ist in den folgenden Dokumenten offenbart: DE 299 23 870 U1; DE 101 08 469 A1; US 2002/098257 A1; DE 102 03 250 C1; EP 1 003 078 A2; EP 1 366 888 A1, JP 03203623 A (entspricht Patent Abstracts of Japan Band 015, Nr. 473 (M-1185), 29. November 1991); DE 42 07 210 A1.

Wie erwähnt steht die vorliegende Erfindung jedoch in besonders engem Zusammenhang mit den Veröffentlichungen WO 2005/030472 A1 sowie DE 103 46 124 A1 bzw. DE 103 46 124 B4. Die besagten Dokumente offenbaren bereits Werkzeuge und Verfahren der eingangs genannten Art. Die offenbarten Werkzeuge und Verfahren erwiesen sich jedoch in der Praxis als noch nicht optimal ausgestaltet, und es war deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bereits aus, den besagten Dokumenten bekannten Verfahren und Werkzeuge weiter zu optimieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß einem primären Aspekt gelöst durch ein Werkzeug zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Besonders bevorzugt ist dabei ein erfindungsgemäßes Werkzeug, wobei (i) im Betriebszustand zumindest auf einem Abschnitt der Bahnseite der elastischen Matrize, welche das Negativ der zu erzeugenden Grundstruktur trägt, das aushärtbare Material aufgetragen ist und (ii) die Andruckwalze so eingerichtet ist, dass sie die Matrizenbahn mit der das Negativ der zu erzeugenden Grundstruktur umfassenden und das aushärtbare Material tragenden Seite an die Substratobenfläche elastisch andrücken kann. Bei einer solchen bevorzugten Ausgestaltung sind Andruckwalze und Matrizenbahn so angeordnet, dass beim Verfahren der Walze über die Oberfläche die Matrizenbahn mit dem darauf aufgetragenen aushärtbaren Material in einer rollenden Bewegung zwischen Walze und Oberfläche gelangt, so dass das Negativ auf der Matrizenbahn der Substratoberfläche zugewandt ist.

Ein solches Werkzeug ist im oben genannten Stand der Technik nicht offenbart.

Das erfindungsgemäße Werkzeug, insbesondere in seiner bereits erläuterten bevorzugten Ausgestaltung ist besonders gut geeignet, eine Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf eine Substratoberfläche aufzubringen. Bei der Substratoberfläche kann es sich insbesondere um die Oberfläche unflexibler Werkstoffe handeln und die Substratoberfläche kann auch sehr großflächig sein.

Insbesondere geeignet ist das erfindungsgemäße Werkzeug (insbesondere in seiner bevorzugten Ausgestaltung) zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, wobei das Substrat ein Bestandteil eines Schiffes, eines Unterseebootes, eines Flugzeuges, eines Landfahrzeuges (z. B. Automobil oder Schienenfahrzeug), eines Rotorblattes, einer Pipeline oder eines Architekturbauwerkes (z. B. eines Fassadenbauelementes) ist.

Dabei ist unter „Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche" die Erzeugung einer Schicht mit einer Oberflächentopographie zu verstehen, die eine Struktur mit Amplitudenmaxima umfasst, die voneinander einen Abstand im Bereich von 10 nm bis < 1 mm, bevorzugt 60 &mgr;m bis 200 &mgr;m besitzen.

Die genannte Topographie wird dabei durch Formen, insbesondere Prägen des aushärtbaren Materials mittels der das Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur tragenden Matrizenbahn und nachfolgendes Aushärten des aushärtbaren Materials erzeugt.

Unter einer „über eine Oberfläche verfahrbaren Andruckwalze" ist eine Andruckwalze zu verstehen, deren Schwerpunkt eine Bewegung auf einer (Substrat-)Oberfläche durchzuführen vermag. Dementsprechend ist unter einem „Verfahren" der Walze über eine Oberfläche das Bewegen des Schwerpunktes dieser Walze entlang der genannten Oberfläche zu verstehen, wobei sich die Walze rollend bewegt. Die Walze selbst hat dabei aber keinen Kontakt mit der Subtratoberfläche, da beim Verfahren der Walze die Matrizenbahn, vorzugsweise mit dem darauf aufgetragenen aushärtbaren Material, in einer rollenden Bewegung zwischen Walze und Oberfläche gelangt, so dass das Negativ auf der Matrizenbahn der Substratoberfläche zugewandt ist und sich vorzugsweise (im Betriebszustand) zwischen Matrizenbahn und der Substratoberfläche das aushärtbare Material befindet.

Unter „Aushärten" ist im Rahmen dieses Textes ein wenigstens teilweises Aushärten zu verstehen. Vorzugsweise wird erfindungsgemäß zumindest so weit ausgehärtet, dass eine Mikrostruktur auf der Außenfläche eines (zuvor „aushärtbaren") Materials so fixiert (stabilisiert) wird, dass sie in Abwesenheit mechanischer Einflüsse bei 25 °C ihre Form behält, d.h. insbesondere nicht verfließt.

Die in einem erfindungsgemäßen Werkzeug vorhandene Bahn der elastischen Matrize (auch „Matrizenbahn" genannt) ist dabei nicht fest mit der Andruckwalze des erfindungsgemäßen Werkzeuges verbunden, sondern ist vorzugsweise von dieser zerstörungsfei abnehmbar; sie kann aber stramm auf diese aufgezogen sein.

Ausgehend von einem Werkzeug, wie es in den Veröffentlichungen WO 2005/030472 A1 sowie DE 103 46 124 A1 bzw. DE 103 46 124 B4 offenbart ist, haben sich einige Ausgestaltungen als besonders vorteilhaft erwiesen. Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausgestaltungen textlich nacheinander dargestellt. Dabei ist jedoch zu beachten, dass eine Kombination bevorzugter Ausgestaltungen zu besonders bevorzugten Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Werkzeuges führt. Dies gilt insbesondere für die Kombinationen, welche sich aus den beigefügten Zeichnungen und den Patentansprüchen ergeben. Ganz besonders bevorzugte Kombinationen von Ausgestaltungen werden in der nachfolgenden Beschreibung explizit angegeben.

1. Elastizität der Andruckwalze; Einstellen der Andruckkräfte; weitere Eigenschaften der Andruckwalze

In eigenen Untersuchungen hat sich gezeigt, dass insbesondere zur Erzeugung einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer (mehrfach) gekrümmten Substratoberfläche die Anforderungen an das erfindungsgemäße Werkzeug sehr hoch sind, insbesondere wenn die zu erzeugende Mikrostruktur nur sehr geringe Abweichungen von der Sollform aufweisen soll.

Erfindungsgemäße Werkzeuge umfassen deshalb Mittel zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der beim elastischen Andrücken der Matrizenbahn mit der das Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur umfassenden und vorzugsweise bereits das aushärtbare Material tragenden Seite auf eine Substratoberfläche wirkenden Andruckkräfte. Derartige Mittel bestehen in einem einfachen Falle lediglich aus einer federnden Lagerung für die Andruckwalze, wobei die Federkraft der Lagerung eingestellt, gesteuert bzw. geregelt werden kann, die Mittel können jedoch alternativ auf beliebige andere Weise gestaltet sein, sofern sie das Einstellen, Steuern bzw. Regeln der Andruckkräfte gestatten. Z. B. kann das Werkzeug insgesamt mittels eines Roboters an die Substratoberfläche angedrückt und über diese verfahren werden, wobei insbesondere die Andruckkräfte über die Robotersteuerung präzise eingestellt werden können.

Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung, dass die Andruckwalze eines erfindungsgemäßen Werkzeuges elastisch ist. Insbesondere in Kombination mit den vorzugsweise vorhandenen Mitteln zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der beim elastischen Andrücken wirkenden Andruckkräfte ist es bei Einsatz einer elastischen Andruckwalze – in Kombination mit der erfindungsgemäß vorhandenen elastischen Matrizenbahn – besonders gut möglich, eine Mikrostruktur mit besonders geringer Abweichung von der Sollform zu erreichen.

Bevorzugt, insbesondere im Zusammenhang mit dem in diesem Text beschriebenen Matrizenmaterial, ist ein (Oberflächen-)Material für die Andruckwalzen, dessen Shore A-Härte im Bereich von 20–60 liegt. Insbesondere in Fällen, in denen die Andruckwalze nicht gasgefüllt ist (zu gasgefüllten Andruckwalzen siehe sogleich), hat es sich in eigenen Untersuchungen als vorteilhaft erwiesen, als Material für die Andruckwalze einen Polyurethanschaum zu wählen, dessen Shore A-Härte in dem oben angegebenen Bereich liegt.

In eigenen Untersuchungen haben sich insbesondere Andruckwalzen (insbesondere solche aus Polyurethanschaum) bewährt, deren Weichheit bzw. Elastizität sich wie folgt beschreiben lässt:

Eindruckhärte (bestimmt gemäß DIN EN ISO 2439): 25 % 155–205 N/322 cm2
40 % 175–255 N/322 cm2 75 % 330–450 N/322 cm2
Stauchhärte (bestimmt gemäß DIN EN ISO 3386-1): 4,0–6,0 Kpa (bei 40 %)
Druckverformungstest (bestimmt gemäß DIN EN ISO 1856): 3,5–4,5 % max. (bei 75 %)

Der Durchmesser der in einem erfindungsgemäßen Werkzeug vorhandenen Andruckwalze liegt vorzugsweise im Bereich von 10–50 cm, wobei ein Durchmesser im Bereich von 10–20 cm wiederum bevorzugt ist. Die Andruckwalze besitzt vorzugsweise eine Länge im Bereich von 20–200 cm, abhängig vom jeweiligen Einsatzzweck.

Vorzugsweise ist eine (elastische) Andruckwalze eines erfindungsgemäßen Werkzeuges (z. B. nach Art eines pneumatischen Reifens) gasgefüllt und (a) ihre auf die Matrizenbahn wirkende Außenfläche und/oder (b) ihre Elastizität sind durch die Mittel zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der beim elastischen Andrücken lokal wirkenden Andruckkräfte veränderbar. Insbesondere bevorzugt ist es in einem solchen Fall, wenn die Mittel zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der beim elastischen Andrücken lokal wirkenden Andruckkräfte eine Einrichtung zum Einstellen, Steuern bzw. Regeln des Gasdrucks innerhalb der (pneumatischen) Andruckwalze umfassen. Dem Fachmann ist klar, dass bei geringem Gasdruck innerhalb der Andruckwalze die auf die Matrizenbahn wirkende Andruckfläche (Auflagefläche) der Andruckwalze regelmäßig ebenfalls gering ist und bei hohem Gasdruck innerhalb der Andruckwalze auch die Andruckfläche (Auflagefläche) groß ist. Dem Fachmann ist zudem klar, dass der Gasdruck innerhalb der Andruckwalze regelmäßig eine unmittelbare Auswirkung auf deren Elastizität besitzt. Werkzeuge mit einer Andruckwalze, deren auf die Matrizenbahn wirkende Andruckfläche in der Breite veränderbar ist, sind insbesondere bevorzugt, da sie es gestatten, eine Substratoberfläche mit einer Schicht (mit mikrostrukturierter Außenfläche) zu versehen, deren Breite variiert.

Auf diese Weise kann auf bauliche Gegebenheiten der Substratoberfläche selbst Rücksicht genommen werden.

Alternativ oder in Kombination mit den vorstehend erläuterten Ausgestaltungen ist ein erfindungsgemäßes Werkzeug vorzugsweise so gestaltet, dass die Andruckwalze quer zur Rollrichtung in zwei, drei oder mehr Segmente unterteilt ist, wobei die Segmente relativ zueinander beweglich sind, so dass sie in einem ersten Betriebszustand so zueinander angeordnet werden können, dass die Andruckfläche gemeinsam von sämtlichen Segmenten gebildet wird und in einem zweiten Betriebszustand so zueinander angeordnet werden können, dass ein, zwei oder mehr Segmente nicht zur Bildung der Andruckfläche beitragen.

Auch eine solche Ausgestaltung erlaubt eine besonders gute Rücksichtnahme auf die Gegebenheiten einer Substratoberfläche, welche mit einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auszurüsten ist.

2. Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens des aushärtbaren Materials:

Wie ähnlich bereits in den genannten Dokumenten WO 2005/030472 A1 DE 103 46 124 A1 und DE 103 46 124 B4 für das dort offenbarte Werkzeug ausgeführt, ist es generell vorteilhaft, wenn ein erfindungsgemäßes Werkzeug eine Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens des aushärtbaren Materials umfasst. Dabei ist die Vorrichtung vorzugsweise so angeordnet, dass sie beim Verfahren der Andruckwalze über die Oberfläche deren Bewegung begleitet, vorzugsweise nachfolgt, und – vorzugsweise durch die Matrizenbahn hindurch – auf einen Teil der Oberfläche oder – vorzugsweise – des dort applizierten aushärtbaren Materials einwirkt.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens eine Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung und/oder eine Heizeinrichtung zum Bestrahlen und/oder Beheizen des aushärtbaren Materials umfasst; das Vorhandensein einer Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung ist besonders bevorzugt. Alternativ kann die Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens eine Einrichtung zur Erzeugung eines Wechselmagnetfeldes sein, z. B. um eine Induktionshärtung durch im aushärtbaren Material (insbesondere einem Lack) enthaltene spezielle Nanoferrite zu ermöglichen (cure on demand). Weiter alternativ kann die Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens dazu eingerichtet sein, Luftsauerstoff vom aushärtbaren Material fernzuhalten (anaerobe Aushärtung). Weiter alternativ kann eine Elektronenstrahlquelle vorgesehen sein. Es versteht sich, dass die Vorrichtung beliebige Kombinationen der genannten Beschleunigungseinrichtungen umfassen kann, z. B. eine Strahlungsquelle in Kombination mit einer Heizeinrichtung oder eine Einrichtung zur Fernhaltung von Luftsauerstoff in Kombination mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Wechselmagnetfeldes. Die Kombination von speziellen Vorrichtungen zum Beschleunigen des Aushärtens wird dabei natürlich immer angepasst sein an die verfügbaren Aushärtungsmechanismen (Härtungsmöglichkeiten) des eingesetzten aushärtbaren Materials.

Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens dann so angebracht, dass das Aushärten des aushärtbaren Materials durch Durchstrahlen oder Erwärmen der Matrizenbahn erfolgt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Strahlungsquelle eine Lampe für IR-, NIR-, sichtbares oder UV-Licht ist, denn solche Härtungseinrichtungen sind zur Beschleunigung des Aushärtens einer Vielzahl aushärtbarer Materialien (insbesondere Lacke und andere Kunststoffe) besonders geeignet. Ganz besonders bevorzugt ist der Einsatz einer UV-Lichtquelle (UV-Lampe), da besonders viele UV-aushärtbare Lacke zur Verfügung stehen und eine Bestrahlung mit UV-Licht gut handhabbar ist.

Handelt es sich bei der Strahlungsquelle um eine Quelle für IR-, NIR-, sichtbares oder UV-Licht so wird die Matrizenbahn vorzugsweise so ausgewählt, dass sie für zumindest einen Teil des von der Lampe ausgestrahlten Lichts durchlässig ist, wobei die Matrizenbahn vorzugsweise eine Transmission von zumindest 60% bei der Wellenlänge besitzt, bei der das von der Strahlungsquelle abgestrahlte Licht sein Emissionsmaximum besitzt.

Aus dem Vorgesagten ergibt sich, dass folgende Kombination von Ausgestaltungsmerkmalen eines erfindungsgemäßen Werkzeuges besonders vorteilhaft ist:

  • i) Die Bahn der elastischen Matrize trägt im Betriebszustand aushärtbares Material auf ihrer das Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur aufweisenden Bahnseite;
  • ii) Andruckwalze und Matrizenbahn sind so angeordnet, dass beim Verfahren der Walze über die Oberfläche die Matrizenbahn zusammen mit dem aufgetragenen aushärtbaren Material in einer rollenden Bewegung zwischen Walze und Oberfläche gelangt, so dass das Negativ auf der Matrizenbahn der Substratoberfläche zugewandt ist und sich zwischen Matrizenbahn und Substratoberfläche das aushärtbare Material befindet;
  • iii) Es ist eine Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens des aushärtbaren Materials vorgesehen, die so angeordnet ist, dass sie beim Verfahren der Andruckwalze über die Oberfläche deren Bewegung nachfolgt und durch die Matrizenbahn hindurch auf das auf die Oberfläche applizierte aushärtbare Material einwirkt (die Andruckwalze hat sich dann bereits etwas weiter in Fahrrichtung vorwärts bewegt);
  • iv) Die Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens umfasst eine Quelle für IR-, NIR-, sichtbares oder UV-Licht optional in Kombination mit einer der oben genannten weiteren Einrichtungen zum Beschleunigen des Aushärtens.
  • v) Die Matrizenbahn ist so ausgewählt, dass sie für zumindest einen Teil des von der Lampe ausgestrahlten Lichts durchlässig ist, wobei die Matrizenbahn vorzugsweise eine Transmission von zumindest 60% bei der Wellenlänge besitzt, bei der das von der Strahlungsquelle abgestrahlte Licht sein Emissionsmaximum besitzt.

Ein derart ausgestaltetes erfindungsgemäßes Werkzeug ist in der Lage, ein aushärtbares Material zu prägen (durch das Negativ auf der Matrizenbahn), auf eine Substratoberfläche abzulegen, dort anzupressen (durch die Andruckwalze) und das applizierte aushärtbare Material durch Bestrahlung mit Licht (durch die lichtdurchlässige Matrizenbahn hindurch) und gegebenenfalls weitere Aushärtungsmechanismen auszuhärten.

Selbstverständlich ist es auch bei der vorgenannten besonders bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs vorteilhaft, Mittel zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der beim elastischen Andrücken wirkenden Andruckkräfte vorzusehen und/oder die Andruckwalze elastisch auszugestalten etc., vergleiche insoweit die Ausführungen unter 1. weiter oben.

Besonders vorteilhaft ist es, der Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens eines aushärtbaren Materials eine Kühleinrichtung zuzuordnen, um ein Überhitzen des erfindungsgemäßen Werkzeuges zu verhindern. Eine solche Kühleinrichtung umfasst gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ein Gebläse (einen Ventilator) zum Erzeugen eines Kühlluftstromes, der die Anlage der Matrizenbahn mit der das Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur umfassenden und vorteilhafterweise aushärtbares Material tragenden Seite einer Substratoberfläche (a) nicht beeinflusst oder (b) verstärkt. Vorzugsweise vermieden wird somit der Einsatz von Gebläsen, welche die Anlage der Matrizenbahn an eine Substratoberfläche schwächen, z. B. indem sie einen Unterdruck oberhalb der Matrizenbahn verursachen, der diese (nebst darauf appliziertem aushärbaren Material) wieder von der Substratoberfläche ablösen könnte. Der Einsatz einer Wasserkühlung alternativ oder additiv zu einer Lufktühlung ist in manchen Fällen vorteilhaft.

Die Erfindung betrifft auch ein System zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, umfassend

  • – ein erfindungsgemäßes Werkzeug und
  • – ein aushärfbares Material, welches mittels der Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärfens beschleunigt aushärfbar ist.

3. Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials auf die Matrizenbahn:

In eigenen Untersuchungen hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn ein erfindungsgemäßes Werkzeug eine Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials auf die Matrizenbahn umfasst. Selbstverständlich wird diese Vorrichtung dann regelmäßig so angeordnet, dass das aushärtbare Material auf die Negativseite der Matrizenbahn aufgetragen wird, bevor es beim Verfahren der Andruckwalze zwischen die Matrizenbahn und die Andruckwalze gelangt.

Die Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials auf die Matrizenbahn kann eine Dosierwalze umfassen, mittels derer im Revers- oder Gleichlaufverfahren aushärtbares Material auf die Matrizenoberfläche appliziert wird. Die Vorrichtung zur Aufringung des aushärtbaren Materials entspricht dann in ihrem Aufbau dem Aufbau einer Zweiwalzanlage für das Revers- bzw. Gleichlaufverfahren, wie es etwa beschrieben ist im Römpp Lexikon Lacke und Druckfarben, Georg Thieme Verlag, Stuttgart. Mittels eines entsprechend eingerichteten Systems, welches eine Dosierwalze umfasst, lassen sich Schichten mit einem gleichmäßigen Dickeprofil von bis zu 100 &mgr;m herstellen, wobei Verarbeitungsviskositäten bis zu 600 mPas verwendet werden können und eine 100 %ige Materialausbeute erreicht wird. Mittels einer derartig ausgestalteten Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials lassen sich auch hochthixotrope Lacke verarbeiten.

Alternativ kann eine Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials auf die Matrizenbahn einen Rakel umfassen, welcher der Matrizenbahn zugeordnet ist. Mittels Vorrichtungen, die einen Rakel umfassen, lassen sich insbesondere lösungsmittelarme und -freie Materialien applizieren, wobei Verarbeitungsviskositäten von insbesondere bis zu 800 mPas bei Scherungen von 100 s–1 möglich sind.

Weiter alternativ kann die Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials auf die Matrizenbahn eine Gießeinrichtung umfassen, welche der Matrizenbahn zugeordnet ist. Entsprechend eingerichtete Vorrichtungen zur Aufbringung des aushärtbaren Materials umfassen vorzugsweise einen Gießkopf, der einen Austrittsschlitz oder -spalt umfasst, dessen Spaltbreite mittels einer Schlitzregulierung eingestellt werden kann. Bei Einsatz einer Gießeinrichtung lassen sich die Dicken des aushärtbaren Materials (insbesondere Lackschichtdicken) über die Viskosität des aushärtbaren Materials, die Spaltbreite im Gießkopf (welche über die Schlitzregulierung einstellbar ist) und die Vorschubgeschwindigkeit der Matrizenbahn einstellen. Die Viskosität des aushärtbaren Materials kann hierbei sehr hoch gewählt werden (der Einsatz hochviskoser bzw. pastenförmiger Materialien ist möglich).

Weiter alternativ kann die Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials auf die Matrizenbahn eine Sprüheinrichtung umfassen, wie sie zur Durchführung von Sprühverfahren eingesetzt werden kann. Eine derartige Sprüheinrichtung umfasst üblicherweise Sprühköpfe, welche der Matrizenbahn zugeordnet sind. Zur Applikation von ein- oder zweikomponentigen Nasslacken können hydraulische oder pneumatische Düsen eingesetzt werden. Zur Applikation von Zweikomponenten-Lacksystemen werden vorzugsweise Düsen eingesetzt, welche eine Innenmischung oder eine Außenmischung ermöglichen.

Weiter alternativ umfasst die Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials ein Mittel zur Pulverlackierung von Oberflächen, welches insbesondere nach dem Prinzip der Tribo- oder Corona-Aufladung funktioniert.

Es versteht sich, dass das Vorhandensein einer Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials auf die Matrizenbahn vorzugsweise kombiniert ist mit den bevorzugten Ausgestaltungen, wie sie oben unter 1. und 2. erläutert sind.

4. Anordnung von weiteren Walzen und Rollen:

Vorzugsweise besitzt ein erfindungsgemäßes Werkzeug nicht nur eine Andruckwalze, sondern zusätzlich eine Walze (Abnehmerwalze), die so eingerichtet ist, dass sie beim Verfahren des Werkzeuges über die Oberfläche die Matrizenbahn wieder abnimmt.

Wesentliche Vorteile eines solchen bevorzugten erfindungsgemäßen Werkzeugs sind, dass die durch die Rundung der Abnehmerwalze auftretenden Scherkräfte ein Ablösen der Matrize von der mikrostrukturierbaren Oberfläche unterstützen und dass in der Regel kein separater Abnahmevorgang für die Matrize mehr notwendig ist.

Bei einer derartigen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges muss die Matrizenbahn somit nicht manuell oder auf andere Weise wieder von der Substratoberfläche entfernt werden, sondern das erfindungsgemäße Werkzeug übernimmt auch diese Aufgabe. Es versteht sich, dass das System aus Werkzeug und aushärtbarem Material in diesem Falle vorzugsweise so eingestellt ist, dass lediglich die Matrizenbahn wieder von der Substratoberfläche abgenommen wird, nicht jedoch das aushärtbare bzw. bereits ausgehärtete Material selbst, welches ja als Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf der Substratoberfläche verbleiben soll; vergleiche hierzu die Anmerkungen zum Haftverhalten weiter unten.

In besonders bevorzugten Ausgestaltungen, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen noch näher erläutert werden, sind neben den beiden bereits erläuterten Walzen noch weitere Walzen oder Rollen vorhanden, die insbesondere die Funktion von Umlenkwalzen besitzen können, vgl. dazu die beigefügte Zeichnung und das Ausführungsbeispiel weiter unten. Darüber hinaus können Rollen oder Walzen vorhanden sein, auf denen eine bzw. die Matrizenbahn bevorratet bzw. wieder aufgerollt werden (nachdem die Andruckwalze die Matrizenbahn und das darauf vorgesehene aushärtbare Material an die Substratoberfläche angedrückt hat), vgl. hierzu die Dokumente WO 2005/030472 A1 sowie DE 103 46 124 A1 bzw. DE 103 46 124 B4.

5. Ausgestaltung der Matrizenbahn:

Es wurde bereits erläutert, dass die Matrizenbahn eines erfindungsgemäßen Werkzeugs elastisch ist und zumindest auf einer Bahnseite ein Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur trägt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Matrizenbahn auf beiden Bahnseiten das Negativ einer zu erzeugenden Mikrostruktur trägt, wobei die beiden Negativseiten die gleiche oder aber eine andere Mikrostruktur tragen können.

Die Matrizenbahn ist ein Element des erfindungsgemäßen Werkzeuges, welches zwar mit der Andruckwalze zusammenwirkt, nicht jedoch mit dieser Andruckwalze fest verbunden ist. Vorzugsweise ist die Matrizenbahn zerstörungsfrei von der Andruckwalze sowie gegebenenalls vorhandenen weiteren Walzen oder Rollen ablösbar und gegen eine andere Matrizenbahn austauschbar.

Insbesondere kann die Matrizenbahn stramm und elastisch um eine gasgefüllte (elastische) Andruckwalze gelegt sein, welche nach Art eines pneumatischen Reifens oder Ballons durch Veränderung des Gasdrucks in ihren Eigenschaften modifizierbar ist (siehe dazu oben). Bei einer derartigen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges ist die Matrizenbahn auf besonders einfache Weise von der Andruckwalze lösbar und gegen eine andere Matrizenbahn austauschbar.

Vorzugsweise besitzt das die Matrizenbahn bildende Material eine Shore A-Härte im Bereich von 20–60, vorzugsweise 30–45.

Besonders bevorzugt sind Matrizenbahnen mit einer Shore-Härte im Bereich von 30–45. Die mit diesen Shore A-Härten einhergehende Elastizität ist zur Mikrostrukturierung aushärtbarer Materialien besonders gut geeignet. In eigenen Untersuchungen hat sich gezeigt, dass Matrizenbahnen mit einer Shore-A-Härte oberhalb 60 häufig zu vergleichsweise schlechten Mikrostrukturierungsergebnissen führten, insbesondere bei der Aufbringung der Schicht des aushärtbaren Materials auf eine gekrümmte Substratoberfläche. Eine Verringerung der Shore A-Härte unter die angegebenen Werte führt ebenfalls häufig zu einer Verschlechterung der Mikrostruktur, da hierdurch die benötigte Kraft zur Abformung (Prägung) nicht mehr so gut auf das aushärtbare Material übertragen wird, dessen Außenfläche zu mikrostrukturieren ist.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Matrizenbahn um eine Bahn aus Silikon. Insbesondere können zweikomponentige, auf Basis von Polyaddition aushärtende Silikon-Abformmassen verwendet werden.

Insbesondere bevorzugt ist der Einsatz von 2K-Silikonabformmassen mit einem Mischungsverhältnis von 10 zu 1 (Komponente A zu Komponente B). Vergleiche insoweit die bereits mehrfach erwähnten Dokumente WO 2005/030472 A1 sowie DE 103 46 124 A1 bzw. DE 103 46 124 B4. Insbesondere die das Matrizenmaterial betreffenden Ausführungen in den besagten Dokumente sind im Wege der Verweisung Bestandteil der vorliegenden Anmeldung; die in den besagten Dokumenten offenbarten Matrizenmaterialien sind besonders gut für Matrizenbahnen erfindungsgemäßer Werkzeuge einsetzbar.

Die Oberflächenenergie der Negativseite einer Matrizenbahn zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Werkzeug ist vorzugsweise an das einzusetzende aushärtbare Material sowie die Oberflächenenergie der Substratoberfläche angepasst, auf welche das aushärtbare Material als Schicht aufzubringen ist. Die Oberflächenenergie der Matrizenbahn sollte so eingestellt werden, dass das einzusetzende aushärtbare Material unter Betriebsbedingungen im nicht ausgehärteten Zustand zwar an der Matrizenbahn haftet und diese benetzt, an der Substratoberfläche aber zumindest im ausgehärteten Zustand besser haftet als an der Matrizenbahn.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein System zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, umfassend

  • – ein erfindungsgemäßes Werkzeug
  • – ein aushärtbares Material und
  • – ein Substrat mit einer zu beschichtenden, gegebenenfalls mehrfach gekrümmten Oberfläche, wobei die Matrizenbahn, die Substratoberfläche und das aushärtbare Material so gewählt sind, dass das aushärtbare Material unter Betriebsbedingungen im nichtausgehärteten Zustand an der Matrizenbahn haftet und diese benetzt, an der Substratoberfläche aber zumindest im ausgehärteten Zustand besser haftet als an der Matrizenbahn.

Die Matrizenbahn besitzt vorzugsweise eine Oberflächenenergie im Bereich von 17 bis 40 mN/m, vorzugsweise 20 bis 30 mN/m.

Vorzugsweise besitzt die Matrizenbahn eine Zugfestigkeit von zumindest 2,5 N/mm2, vorzugsweise zumindest 2,9. Die Matrizenbahn kann durch Zusatz von beispielsweise Faser- oder Gewebematerial verstärkt sein, so dass sie die erforderliche Zugfestigkeit besitzt.

Sofern ein erfindungsgemäßes Werkzeug eine Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens des aushärtbaren Materials umfasst, bei der es sich um eine Lichtquelle für IR-, NIR-, sichtbares oder UV-Licht handelt, wobei die besagte Vorrichtung zum Beschleunigen des Härtens so angebracht ist, dass das Aushärten des aushärtbaren Materials durch Durchstrahlen der Matrizenbahn erfolgt, wird die Matrizenbahn (bzw. das Material, aus der sie besteht) vorzugsweise so ausgewählt, dass sie für zumindest einen Teil des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes durchlässig ist, wobei die Matrizenbahn vorzugsweise ein Transmissionsmaximum im Bereich des von der Strahlungsquelle abgestrahlten Wellenlängenbereiches besitzt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die wesentlichen Teile des Lichtes durch die Matrizenbahn hindurchtreten und auf das aushärtbare Material einwirken können, welches sich im Betrieb des erfindungsgemäßen Werkzeuges zwischen Matrizenbahn und Substratoberfläche befindet. Selbstverständlich muss bei einer derartigen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges auch das einzusetzende aushärtbare Material in seinen Eigenschaften angepasst werden, siehe hierzu auch weiter unten.

Vorzugsweise ist die Matrizenbahn eines erfindungsgemäßen Werkzeuges eine endlose und vorzugsweise nahtlose Matrizenbahn. Es versteht sich, dass bei Einsatz einer endlosen Matrizenbahn (wie ähnlich bei anderen Werkzeugen mit Laufbändern) die Anordnung von Andruck- und weiteren Walzen (bzw. Rollen) im erfindungsgemäßen Werkzeug so gewählt sein muss, dass die endlose Matrizenbahn beim Verfahren der Andruckwalze endlos im Werkzeug umläuft (wie entsprechend in Raupenfahrzeugen), so dass im Betrieb ein bestimmter Ort an der Oberfläche der Matrizenbahn jeweils nach einem definierten Verfahrweg wieder auf die Substratoberfläche trifft, welcher der Länge der Matrizenbahn genau entspricht. Es versteht sich, dass eine endlose, nahtlose Matrizenbahn vorteilhaft in Kombination mit sämtlichen vorstehend ausgeführten Ausgestaltungen anderer Bestandteile bzw. Aspekte eines erfindungsgemäßen Werkzeuges vorteilhaft eingesetzt werden kann. Die Nahtlosigkeit der bevorzugt einzusetzenden endlosen Matrizenbahn führt dazu, dass auch nach komplettem Umlauf der Matrizenbahn kein Nahtabdruck der Matrizen in das aushärtbare Material übertragen wird.

Eine nahtlose und endlose Matrizenbahn lässt sich beispielsweise unter Verwendung einer (vorzugsweise metallischen) Trommel herstellen, deren Innenwandung ein Positivmodell der Mikrostruktur trägt, welche die von dem erfindungsgemäßen Werkzeug zu erzeugende Schicht auf ihrer Außenfläche tragen soll. Auf die Innenwandung der Trommel wird dann eine aushärtbare Abformmasse (vorzugsweise eine Silikon-Abformmasse, wie vorstehend erläutert) aufgebracht und die Trommel (vorzugsweise langsam und gleichmäßig) so um ihre Achse rotiert, dass sich die noch nicht oder zumindest noch nicht vollständig ausgehärtete Abformmasse gleichmäßig auf der gesamten Trommelinnenwandung verteilt. Die Rotation der Trommel wird fortgesetzt, bis die Abformmasse ausreichend ausgehärtet ist; die Aushärtezeit beträgt dabei in manchen Fällen 12 oder mehr Stunden. Nach dem Aushärten wird die so entstandene endlose und nahtlose Matrizenbahn von der Innenwandung der Trommel abgezogen; die Außenseite der Matrizenbahn trägt nun das Negativ der Mikrostruktur, welche von dem Positivmodell auf der Innenwandung der Trommel auf die Abformmasse übertragen wurde.

Die Abformmasse (vorzugsweise aus Silikon) wird vorteilhafterweise nach dem Auftragen auf die Innenwandung der Trommel mittels einer Vakuumvorrichtung entlüftet.

Vorzugsweise ist die Bahn der elastischen (und vorzugsweise endlosen sowie nahtlosen) Matrize mindestens 1 mm dick, denn bei geringeren Matrizenbahndicken ist die Abformgenauigkeit häufig nicht mehr ausreichend und die Rissneigung der Matrize häufig zu hoch.

6. Dicke der applizierten Schicht:

Vorzugsweise umfasst ein erfindungsgemäßes Werkzeug Mittel zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der Dicke der applizierten Schicht. Solche Mittel sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine Substratoberfläche zu beschichten ist, die bereits eine Struktur aufweist. Bestimmte Elemente dieser Struktur können dann durch Aufbringen der Schicht vollständig abgedeckt werden, so dass sie die Eigenschaften der beschichteten Strukturoberfläche nicht mitbestimmen können. Die Eigenschaften der beschichteten Strukturoberfläche werden dann – wie in der Regel vorgegeben – ausschließlich durch die Schicht mit ihrer mikrostrukturierten Außenfläche bestimmt. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, Vertiefungen oder Erhöhungen auf einer ansonsten glatten Substratoberfläche (z.B. Fugen oder Nähte) durch Variation der Beschichtungsdicke zu nivellieren.

7. Ausgestaltung des aushärtbaren Materials:

Das aushärtbare Material, welches mittels eines erfindungsgemäßen Werkzeuges auf eine Substratoberfläche appliziert wird und dort eine Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche bilden soll, ist vorzugsweise ein Lack.

Aushärtbare Materialien (insbesondere Lacke), die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug bzw. als Teil eines erfindungsgemäßen Systems eingesetzt werden sollen, müssen eine Reihe von Anforderungen erfüllen, welche zum Teil aus den Erfordernissen des erfindungsgemäßen Werkzeuges resultieren, zum Teil jedoch auch durch die jeweiligen Einsatzzwecke bestimmt sind. Aus den jeweiligen Anforderungen ergeben sich bevorzugte Merkmale des aushärtbaren Materials. Dazu nun im Einzelnen:

Das einzusetzende aushärfbare Material wird vorzugsweise so ausgewählt, dass es in der Lage ist, die Negativseite der Matrizenbahn vollständig zu benetzen, das heißt die Eigenschaften von Matrizenbahn und aushärtbarem Material (insbesondere Lack) werden insoweit aufeinander abgestimmt; zur Ausgestaltung der Matrizenbahn siehe oben.

Das aushärtbare Material wird vorzugsweise so ausgewählt, dass es durch die Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens innerhalb weniger Sekunden soweit ausgehärtet werden kann, dass eine eingebrachte Mikrostruktur formtreu erhalten bleibt; die Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens ist dabei entsprechend den Aushärtungsmechanismen ausgewählt, welche das aushärtbare Material aufweist, vergleiche hierzu die obigen Ausführungen. Vorzugsweise wird das aushärtbare Material so ausgewählt, dass es durch Bestrahlung mit UV-Licht innerhalb von maximal 10 Sekunden, vorzugsweise innerhalb von maximal 5 Sekunden soweit ausgehärtet (fixiert) werden kann, dass die eingebrachte Mikrostruktur formtreu erhalten bleibt.

Das aushärtbare Material (insbesondere Lack) ist vorzugsweise so eingestellt, dass es zumindest nach Aushärtung besser an der Substratoberfläche haftet als an der Matrizenbahn, vergleiche hierzu auch die Ausführungen weiter oben.

Ein entsprechendes erfindungsgemäßes System zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche umfasst:

  • – ein erfindungsgemäßes Werkzeug (vorzugsweise eines, welches vorstehend als besonders bevorzugt gekennzeichnet ist),
  • – ein aushärtbares Material (insbesondere ein aushärtbares Material, welches vorstehend als besonders bevorzugt gekennzeichnet ist) und
  • – ein Substrat mit einer zu beschichtenden, gegebenenfalls mehrfach gekrümmten Oberfläche,
wobei

die Matrizenbahn, die Substratoberfläche und das aushärtbare Material so gewählt sind, dass das aushärtbare Material unter Betriebsbedingungen im nicht ausgehärteten Zustand an der Matrizenbahn haftet, an der Substratoberfläche aber zumindest nach (teilweiser) Aushärtung besser haftet als an der Matrizenbahn.

Vorzugsweise ist das Substrat ein Bestandteil eines Schiffes, eines Unterseebootes, eines Flugzeugs, eines Landfahrzeugs wie Automobil oder Schienenfahrzeug, eines Rotorblatts, eines Architekturbauwerkes (z. B. eines Fassadenbauelementes) oder einer Pipeline.

Das aushärtbare Material ist vorzugsweise so eingestellt, dass es eine ausreichende Endhärtung in Abwesenheit der Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens, das heißt insbesondere in Abwesenheit einer Lichtquelle (Lampe), gewährleistet.

Allgemein können z. B. die folgenden Lacksysteme eingesetzt werden:

  • – Lacke auf Basis von Polymerisationsharzen, die radikalisch oder ionisch induziert aushärten;
  • – Polyadditionsharze (z. B. Polyurethan- und Epoxidharzsysteme), die zwei- oder einkomponentig sein können. Die Hydroxylkomponente kann dabei neben den Basen Polyacrylat oder Polyester bzw. die Epoxidharzkomponente auch auf Silikon- oder Fluorharz basieren.
  • – Harzsysteme für die anaerobe Aushärtung, d. h. Lack- bzw. Harzsysteme, die nur unter Ausschluss von Sauerstoff ausgehärtet werden können. Diese Harzsysteme sind technologisch den Systemen, die auch an der Luft z.B. mit UV-Strahlung ausgehärtet werden können, in mancherlei Hinsicht überlegen. Derartige Lack-Harzsysteme bilden insbesondere folgende Vorteile:
  • – Kein Überschuss von Fotoinitiator ist notwendig, was einen Preisvorteil darstellt und zu einer höheren Dauerhaftigkeit des Lack-Harzfilms führt.
  • – Es ist kein Überschuss von reaktiven Gruppen notwendig (z.B. Doppelbindung), was die Möglichkeit zur Formulierung von wesentlich flexibleren und weniger spröden Lack-Harzsystemen eröffnet.
  • – Durch Unterbinden der Sauerstoffinhibierung wird der Lack-Harzfilm im Gegensatz zu herkömmlichen Techniken auch direkt an der Oberfläche nahezu komplett vernetzt, was zu besserer Chemikalien- und Kratzbeständigkeit führt.

Es können auch beliebige Mischungen aus den vorstehend genannten Lacksystemen eingesetzt werden, woraus im Einzelfall Vorteile resultieren können.

Die vorzugsweise eingesetzten Lacksysteme besitzen einen Festkörperanteil von 98–100 % und können entweder flüssig oder pulverförmig vorliegen. Die flüssigen Systeme können einkomponentig oder zweikomponentig vorliegen. Insbesondere sind einsetzbare Lacksysteme durch die nachfolgend genannten Verfahren aushärtbar: UV-, Elektronenstrahl, IR-, NIR-Strahlung; (wärmeforcierte) Konvektion; Induktionshärtung (cure on demand z. B. mittels magnetisierbarer Nanoferrite); anaerobe Aushärtung (Aushärtungsbeginn erst bei Luftausschluss). Die vorstehend genannten Härtungsmethoden sind dabei frei miteinander kombinierbar.

Ganz besonders bevorzugt ist der Einsatz zweikomponentiger sogenannter Dual-Cure-Lacksysteme, die eine Mischung aus zwei unterschiedlichen Aushärtungsmechanismen besitzen:

  • 1. UV-Härtung (radikalische/an-, kationische Polymerisation)
  • 2. Polyol-Isocyanat-Vernetzung (Polyaddition).

Insbesondere zur Herstellung von Schichten auf Substratoberflächen, welche auch widrigen Wetterbedingungen über einen langen Zeitraum standhalten, ist der Einsatz von Zweikomponenten-Polyurethanlacken bevorzugt, die einen Anteil eines UV-härtbaren Harzes umfassen; der Polyurethanlack umfasst dabei Polyole und Isocyanate, die wetterbeständig sind. Die Menge an UV-härtbarem Harz ist vorzugsweise hoch genug, um die in den Lack (als aushärtbares Material) eingebrachte Mikrostruktur und den Lack selbst ausreichend schnell durch UV-Bestrahlung zu fixieren (anzuhärten), ist aber andererseits so niedrig wie möglich, um einen möglichst hohen Anteil der vorteilhaften Eigenschaften des Polyurethans beizubehalten, denn die Eigenschaften des Polyurethans sind für praktische Anwendungszwecke in der Regel besonders vorteilhaft. Der Anteil an UV-härtenden Harzen im Lacksystem sollte aber auch deshalb möglichst niedrig sein, um den Volumenschrumpf möglichst gering zu halten, der durch diese Harze üblicherweise verursacht wird. Ein Anteil von 20–40 Gew.-% UV-härtendem Harz in der Dual-Cure-Lackformulierung hat sich in eigenen Untersuchungen als besonders vorteilhaft erwiesen.

8. Anwendungsbereiche der Erfindung; erfindungsgemäße Gegenstände, Verfahren und Verwendungen:

Ein wesentlicher Vorteil eines erfindungsgemäßen Werkzeuges ist, dass es eine problemlose und kontinuierliche Bearbeitung von großen Oberflächen gestattet. Insbesondere bei Auswahl von geeignetem Matrizen- und/oder Andruckwalzenmaterial ist es dazu geeignet, auch gekrümmte, sogar mehrfach gekrümmte Oberflächen zu strukturieren.

So lassen sich beispielsweise Großstrukturen wie Oberflächen oder Oberflächenabschnitte von Architekturbauwerken (z. B. Fassadenbauelementen), Flugzeugen, insbesondere deren Tragflächen und Rumpf, von Schienenfahrzeugen, insbesondere Lokomotiv- und Waggon-Karosserien, Automobilen, Schiffen, insbesondere deren Rümpfe und Antriebsschrauben, Windenergieanlagen, insbesondere deren Rotorblätter, Turbinen, insbesondere deren Rotor- und Staturblätter, und von Rohr-Innenoberflächen, insbesondere für Pipelines auch in Bereichen doppelt gekrümmter Flächen mit einer gleichmäßigen Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche versehen.

Die eingangs beschriebenen Nachteile herkömmlicher Verfahren zum Bekleben der soeben genannten Oberflächen oder Oberflächenabschnitte können somit vermieden oder verringert werden.

Mehrfach gekrümmte Oberflächen sind im Zusammenhang dieses Textes solche Oberflächen, die nicht faltenfrei von einer durchgehenden, eben ausbreitbaren, mikrostrukturierten Folie nach dem Stand der Technik die gesamte Oberfläche berührend bedeckt werden können.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfäche umfasst die folgenden Schritte:

  • a1) Bereitstellen eines aushärtbaren, mikrostrukturierbaren Materials,
  • a2) Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Werkzeuges (insbesondere eines vorstehend als bevorzugt gekennzeichneten Werkzeuges),
  • a3) Erzeugen der Schicht aus dem aushärtbaren, mikrostrukturierbaren Material mittels des Werkzeuges auf der Substratoberfläche,
  • a4) Aushärten der Schicht des aushärtbaren, mikrostrukturierbaren Materials auf der Substratoberfläche (vorzugsweise mittels einer Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens, die an die Aushärtemechanismen des aushärtbaren Materials angepasst ist)
oder
  • b1) Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Systems (umfassend erfindungsgemäßes Werkzeug, aushärtbares Material und Substrat),
  • b2) Erzeugen der Schicht aus dem aushärtbaren, mikrostrukturierbaren Material mittels des Werkzeuges auf der Substratoberfläche,
  • b3) Aushärten der Schicht des aushärtbaren, mikrostrukturierbaren Materials auf der Substratoberfläche (vorzugsweise mittels einer Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens, die an die Aushärtemechanismen des aushärtbaren Materials angepasst ist).

Weitere Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den vorstehenden Erläuterungen zu dem erfindungsgemäßen Werkzeug und den erfindungsgemäßen Systemen, aus der nachfolgenden Beschreibung, den beigefügten Zeichnungen und den Patentansprüchen.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Gegenstand umfassend eine Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer mehrfach gekrümmten Substratoberfläche, wobei die Mikrostruktur im Bereich der Mehrfachkrümmung mittels

  • – eines erfindungsgemäßen Werkzeuges,
  • – eines erfindungsgemäßen Systems oder
  • – eines erfindungsgemäßen Verfahrens
erzeugt werden kann. Ein solcher erfindungsgemäßer Gegenstand ist vorzugsweise ein Schiff, ein Unterseeboot, ein Flugzeug, ein Landfahrzeug, ein Automobil oder Schienenfahrzeug, ein Rotorblatt, ein Architekturbauwerk (z. B. Fassadenbauelement), eine Pipeline oder ein Teil eines dieser Gegenstände.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges oder eines erfindungsgemäßen Systems zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche (wie oben weiter ausgeführt). Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges bzw. eines erfindungsgemäßen Systems zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche können besonders gut strömungsbegünstigte und/oder schmutz- oder bewuchsabweisende Oberflächen hergestellt werden, wobei die eingangs für herkömmliche Mikrostrukturierungsverfahren beschriebenen Nachteile vermieden oder verringert werden können. Mit der Verwendung eines erfindungsgemäßen Werkzeugs zum Erzeugen einer mikrostrukturierten Oberfläche können insbesondere die oben zu bevorzugten Ausführungsformen und Aspekten des erfindungsgemäßen Werkzeugs beschriebenen Vorteile erzielt werden.

Die erfindungsgemäßen Werkzeuge (insbesondere in ihren bevorzugten Ausführungsformen) eignen sich besonders für eine solche Verwendung, da mit ihnen in einem kontinuierlichen Prozess große Flächen mit einer mikrostrukturierten Schicht versehen werden können, die auch doppelt gekrümmte Flächen umfassen können. Die wird insbesondere ermöglicht durch eine geeignete Auswahl des Matrizenmaterials und des Materials für die Andruckwalze (siehe oben). Das Werkzeug kann den für das Mikrostrukturieren des aushärtbaren Materials benötigten Druck durch sein Eigengewicht ausüben. Vorteilhafterweise sind jedoch, wie oben erläutert, Mittel zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der beim elastischen Andrücken wirkenden Andruckkräfte vorhanden. Für die Erzeugung großer mikrostrukturierter Außenflächen ist insoweit der Einsatz von Robotern vorteilhaft, wie sie ähnlich beim Sprühauftrag von Lack auf z. B. Automobil-, Flugzeug- und Schiffsoberflächen eingesetzt werden.

Derartige Roboter können auch auf Fahrzeugen aufgebaut sein, wie sie bereits z. B. in Trockendocks zur großflächigen Schiffsrumpflackierung eingesetzt werden.

Ein gewisser fester Andruck ist insbesondere vorteilhaft, um die gegebenenfalls an der Grenzschicht zwischen Werkzeug (Matrize) und mikrostrukturierbarem Material entstehenden Luftblasen zu entfernen.

Dadurch, dass das erfindungsgemäße Werkzeug verfahrbar ist, ist es möglich, durch die Wahl der Vorschubgeschwindigkeit vorteilhafte Präge- und/oder Aushärtebedingungen für das jeweilis gewählte aushärtbare Material, das die Mikrostruktur tragen soll, zu wählen. Dabei kann das Verfahren des Werkzeuges über die mikrostrukturierbare Oberfläche kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Insbesondere bei Verwendung eines geeigneten Matrizenmaterials ist darüber hinaus die Mehrfachverwendung des Werkzeuges möglich, welches bevorzugt so gestaltet ist, dass die Matrize austauschbar ist.

9. Spezielle Weiterbildungen 9.1 Nahtloser Auftrag von Schichten auf große Oberflächen:

Zum gleichmäßigen und zumindest im Wesentlichen nahtlosen Applizieren einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer großen Substratoberfläche wird ein erfindungsgemäßes Werkzeug oder eine Anzahl erfindungsgemäßer Werkzeuge vorzugsweise so eingesetzt, dass zueinander im Wesentlichen parallele Bahnen von Schichten mit jeweils mikrostrukturierter Außenfläche auf die Substratoberfläche appliziert werden. Damit zwischen parallelen Bahnen der applizierten Schichten keine Naht entsteht, werden die Bahnen vorzugsweise entweder überlappend appliziert, oder das erfindungsgemäße Werkzeug wird so eingerichtet, dass scharfe Bahnkanten gebildet werden, wobei benachbarte Bahnkanten zueinander paralleler Bahnen nahtlos aneinander gefügt werden.

Vorzugsweise können Roboter eingesetzt werden, um ein erfindungsgemäßes Werkzeug bzw. eine Anordnung erfindungsgemäßer Werkzeuge präzise so über eine Substratoberfläche zu führen, dass die gewünschte nahtlose Verlegung der parallelen Bahnen in gewünschter Weise erfolgt.

9.2 Applikation mehrer Schichten aushärtbaren Materials:

Im Einzelfall kann es zweckmäßig sein, die Oberfläche eines Gegenstandes mit einer ersten Beschichtung zu versehen, welche eine mikrostrukturierte Außenfläche trägt oder nicht trägt. Auf diese erste Schicht können dann ein oder mehrere weitere Schichten aufgetragen werden, wobei die äußerste Schicht eine mikrostrukturierte Außenfläche trägt. Zur Applikation einer ersten Schicht, welche keine mikrostrukturierte Außenfläche besitzt, kann ein geringfügig modifiziertes Werkzeug eingesetzt werden, welches bei ansonsten gleicher Ausgestaltung wie ein erfindungsgemäßes Werkzeug eine Matrizenbahn besitzt, welche auf ihrer Andruckseite kein Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur umfasst. Es versteht sich, dass die Oberfläche einer ersten Schicht, welche selbst keine mikrostrukturierte Außenfläche trägt, auf der jedoch eine Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche (als zweite oder weitere Schicht) angeordnet werden soll, im Sinne des vorliegenden Textes als Substratoberfläche aufzufassen ist.

9.3 Gestaltung der Innenfläche des aushärtbaren Materials:

In manchen Fällen ist es vorteilhaft, die im fertigen Zustand dem Substrat zugewandte Innenfläche der zu erzeugenden Schicht (welche auf ihrer Außenfläche mikrostrukturiert ist) zu kennzeichnen oder sonstwie zu modifizieren. Insbesondere sind Verfahren vorteilhaft, in denen die Innenfläche der besagten Schicht mit wird einer Farbe oder Tinte gekennzeichnet oder bedruckt wird. Hierzu sind in einem erfindungsgemäßen Werkzeug vorteilhafterweise entsprechende Einrichtungen vorgesehen, welche es gestatten, auf die Innenfläche der zu applizierenden Schicht einzuwirken, welche beispielsweise über die Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials (z. B. Ink-Jet-Druckköpfe) auf die Matrizenbahn aufgebracht wurde und dort zunächst nach außen weist.

Auf entsprechende Weise kann auf die Innenseite der zu applizierenden Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche ein Hologramm oder ein anderes Erkennungs- oder Sicherheitsmerkmal appliziert werden.

9.4 Einsatz von Robotersystemen:

Es wurde bereits erwähnt, dass Robotersysteme eingesetzt werden können, um ein erfindungsgemäßes Werkzeug präzise und mit dem gewünschten Anpressdruck über eine Substratoberfläche zu verfahren. Insbesondere geeignet ist der Einsatz von Robotern, vorzugsweise von solchen mit langen Führungsarmen, wenn beispielsweise die Außenhaut von Schiffsrümpfen oder Flugzeugen mittels eines erfindungsgemäßen Werkzeuges beschichtet werden sollen.

Es wurde bereits erwähnt, dass derartige Roboter auch auf Fahrzeugen aufgebaut sein können, wie sie bereits z. B. in Trockendocks zur großflächigen Schiffsrumpflackierung eingesetzt werden.

10. Auftragen gleichmäßiger Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf große Substratoberflächen:

Es ist in manchen Fällen vorteilhaft, mehrere erfindungsgemäße Werkzeuge parallel zueinander auszurichten und miteinander so zu verbinden, dass sie gleichzeitig über die Substratoberfläche verfahren werden können. Vorzugsweise werden die parallelen Werkzeuge dabei gelenkig miteinander verbunden, so dass sich eine Gruppe miteinander verbundener erfindungsgemäßer Werkzeuge quer zu ihrer Fahrtrichtung an die Krümmung einer Substratoberfläche anpassen kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.

Es stellen dar:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges, bei dem die Matrize als Endlosband um die Andruckwalze und zwei weitere Walzen läuft, von denen eine als Abnehmerwalze fungiert.

2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Werkzeuges, bei dem die Matrize eine einzelne (Andruck-)Walze stramm umschließt, wobei eine Vorrichtung zum Aufbringen des aushärtbaren Materials auf die Matrizenbahn sowie eine Druckluftzufuhr vorgesehen sind.

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Werkzeug mit einer Andruckwalze 1, einer endlosen Matrizenbahn 3, einer Walze 7, die gleichzeitig als Abnehmerwalze fungiert, einer Walze 9, welche die Funktion einer Umlenkwalze ausübt, einer Lichtquelle (Härtungsvorrichtung) 5 sowie einer Vorrichtung 11 zum Auftragen aushärtbaren Materials (nicht dargestellt) auf die Matrizenbahn 3.

Im Betrieb des in 1 dargestellten Werkzeugs wird dieses in Richtung des Pfeiles A verfahren. Gleichzeitig wird mittels der Vorrichtung 11 aushärtbares Material auf die Matrizenbahn 3 aufgebracht, die sich um die insgesamt drei Walzen 1, 7 und 9 herum erstreckt. Da die Andruckwalze 1 in Richtung des Pfeiles A verfahren wird, gelangt die Matrizenbahn 3 in einer rollenden Bewegung zwischen die Andruckwalze 1 und die überfahrene Substratoberfläche (nicht dargestellt). Die Matrizenbahn 3 trägt auf ihrer von den Walzen 1, 7, 9 abgewandten Seite das Negativ einer Mikrostruktur, welches in das aufgetragene aushärtbare Material übertragen wird, das die Negativ-Seite der Matrizenbahn vollständig benetzt und an ihr anhaftet. Sobald das Werkzeug eine hinreichende Strecke in Richtung des Pfeiles A verfahren ist, erreicht aushärtbares Material auf der Negativ-Seite der Matrizenbahn den Bereich der Andruckwalze 1 und gelangt dort schließlich zwischen Matrizenbahn 3 und die Substratoberfläche.

Bei weiterem Verfahren des Werkzeuges in Richtung des Pfeiles A gelangt das auf die Substratoberfläche aufgedrückte aushärtbare Material in den Wirkungsbereich der Lichtquelle 5, welche durch das Matrizenmaterial hindurch, das in seinen Transmissionseigenschaften an die Lichtquelle angepasst ist, auf das aushärtbare Material einwirkt. Das aushärtbare Material ist so gewählt, dass die durch die Matrizenbahn hindurchdringende Strahlung die Aushärtung des aushärtbaren Materials initiiert. Bei dem aushärtbaren Material handelt es sich vorzugsweise um einen Dual-Cure-Lack (siehe oben), dessen Fotoinitiatoren durch Licht aktiviert werden, welches von der Strahlungsquelle emittiert wird und durch die Matrizenbahn 3 hindurchtreten kann. Während somit das Werkzeug in Richtung des Pfeiles A weiter verfahren wird, härtet das aushärtbare Material (zumindest teilweise) aus. Schließlich erreicht die Abnehmerwalze 7 den Bereich des nun (teilweise) ausgehärteten Materials und nimmt die Matrizenbahn 3 von dem ausgehärteten Material ab, welches auf der Substratoberfläche verbleibt. Das ausgehärtete Material haftet an der Substratoberfläche besser als an der Matrizenbahn.

Bei fortgesetztem Verfahren des Werkzeugs in Richtung des Pfeiles A wird kontinuierlich weiteres aushärtbares Material über die Matrizenbahn 3 in den Wirkungsbereich der Andruckwalze 1 gefördert, von der Andruckwalze an die Substratoberfläche angedrückt und anschließend mittels der Lichtquelle 5 ausgehärtet.

2 zeigt ein erfindungsgemäßes Werkzeug mit einer gasgefüllten Andruckwalze und einer stramm auf diese Andruckwalze aufgezogenen endlosen Matrizenbahn 23; in 2 ist die Andruckwalze selbst nicht zeichnerisch dargestellt, ihre Position jedoch durch die der strukturierten Matrize angegeben. Die Andruckwalze ist durch eine in 2 schematisch dargestellte Druckluftzufuhr 27 mit Druckluft befüllbar. Die Druckluftzufuhr umfasst zeichnerisch nicht dargestellte Mittel zur Einstellung des Gasdruckes innerhalb der Andruckwalze.

Das in 2 dargestellte Werkzeug umfasst zudem eine Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens eines aushärtbaren Materials (Härtungseinheit) 25; hierbei handelt es sich den Eigenschaften (verfügbaren Härtungsmechanismen) des aushärtbaren Materials (Lacks) entsprechend beispielsweise um eine Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung, eine Heizeinrichtung zum Bestrahlen und/oder Beheizen des aushärtbaren Materials, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Wechselmagnetfeldes oder z. B. eine Elektronenstrahlquelle. Alternativ oder zusätzlich kann eine Einrichtung zur Fernhaltung von Luftsauerstoff vorhanden sein, vergleiche hierzu die obigen Ausführungen. Selbstverständlich kann auch eine Kombination der genannten Elemente vorgesehen sein, um aushärtbare Materialien auszuhärten, welche mehrere Härtungsmöglichkeiten anbieten.

Das in 2 dargestellte Werkzeug umfasst des Weiteren eine Vorrichtung zur Aufbringung des aushärtbaren Materials auf die Matrizenbahn (Lackdosiereinheit) 31, welche nach Art einer Dosierwalze eingerichtet ist, wie sie aus Zweiwalzanlagen für das Revers- bzw. Gleichlaufverfahren bekannt ist, vergleiche insoweit die obigen Ausführungen.

Das in 2 dargestellte Werkzeug umfasst schließlich auch noch ein Gehäuse 33, welches die Anordnung aus Andruckwalze/Matrizenbahn, Lackdosiereinheit, Härtungseinheit und Druckluftzufuhr nahezu vollständig umschließt, jedoch auf seiner Unterseite eine Aussparung besitzt, durch welche die Andruckwalze/Matrizenbahn vorspringt, so dass die Applikation aushärtbaren Materials, welches über die Lackdosiereinheit auf die strukturierte Matrize aufgegeben werden kann, auf eine zu beschichtende Substratoberfläche möglich ist. Eine Substratoberfläche 35 ist in 2 dargestellt.

Die Druckluftzufuhr mit den zugeordneten Mitteln, welche die Einstellung des Luftdrucks in der Andruckwalze ermöglichen, stellt Mittel dar zum Einstellen der beim elastischen Andrücken der Matrizenbahn (mit der das Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur umfassenden und gegebenenfalls aushärtbares Materials tragenden Seite) an die Subtratoberfläche.

Hinsichtlich der Ausgestaltung der Matrizenbahn 23 gilt das zu 1 (Matrizenbahn 3) Gesagte entsprechend.

Im Betrieb des in 2 dargestellten Werkzeuges wird dieses auf der Substratoberfläche 35 verfahren. Gleichzeitig wird mittels der Vorrichtung 31 (Lackdosiereinheit) aushärtbares Material auf die Matrizenbahn 23 aufgebracht, die stramm auf die nicht separat dargestellte Andruckwalze aufgespannt ist. Da die Andruckwalze (mit Matrizenbahn 23) auf der Substratoberfläche verfahren wird, gelangt die Matrizenbahn 23 in einer rollenden Bewegung zwischen die Andruckwalze und die überfahrene Substratoberfläche 35. Die Matrizenbahn 23 trägt entsprechend der Ausgestaltung gemäß 1 auf ihrer von der Walze abgewandten Seite das Negativ einer Mikrostruktur, welches in das aufgetragene aushärtbare Material übertragen wird, das die Negativseite der Matrizenbahn vollständig benetzt und an ihr anhaftet. Sobald das Werkzeug eine hinreichende Strecke auf der Substratoberfläche 35 verfahren ist, erreicht aushärtbares Material auf der Negativ-Seite der Matrizenbahn die Oberfläche 35 des Substrats und gelangt zwischen Matrizenbahn 23 und Substratoberfläche 35. Gleichzeitig oder etwas früher gelangt das auf die Substratoberfläche 35 aufgedrückte aushärtbare Material auch in den Wirkungsbereich der Härtungseinheit 25, welche durch das Matrizenmaterial hindurch auf das aushärtbare Material einwirkt. Während somit das Werkzeug weiter auf der Substratoberfläche 35 verfahren wird, härtet das aushärtbare Material (zumindest teilweise) aus. Die Andruckwalze selbst nimmt schließlich die Matrizenbahn 23 von dem ausgehärteten Material ab, welches auf der Substratoberfläche 35 verbleibt. Das ausgehärtete Material haftet an der Substratoberfläche 35 besser als an der Matrizenbahn 23. Bei fortgesetztem Verfahren des Werkzeuges auf der Substratoberfläche wird kontinuierlich weiteres aushärtbares Material aus der Lackdosiereinheit 31 auf die Matrizenbahn 23 appliziert und über die Matrizenbahn 23 in Kontakt mit der Substratoberfläche 35 gebracht, wird dort von der Andruckwalze an die Substratoberfläche 35 angedrückt und sogleich mittels der Härtungseinheit 25 ausgehärtet.


Anspruch[de]
Werkzeug zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, umfassend:

– eine Bahn (3) einer elastischen Matrize mit einem Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur,

– eine über eine Oberfläche verfahrbare elastische Andruckwalze (1) mit einer Andrückfläche zum elastischen Andrücken der Matrizenbahn (3) mit der das Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur umfassenden und gegebenenfalls aushärtbares Material tragenden Seite an die Substratoberfläche,

– ein Mittel zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der Elastizität der Andruckwalze (1) und/oder der auf die Matrizenbahn (3) wirkenden Andruckfläche der Andruckwalze (1),

wobei

Andruckwalze (1) und Matrizenbahn (3) so angeordnet sind, dass beim Verfahren der Walze über die Oberfläche die Matrizenbahn (3), gegebenenfalls mit dem darauf aufgetragenen aushärtbaren Material, in einer rollenden Bewegung zwischen Walze und Oberfläche gelangt, so dass das Negativ auf der Matrizenbahn (3) der Substratoberfläche zugewandt ist.
Werkzeug nach Anspruch 1, umfassend

– Mittel zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der beim elastischen Andrücken wirkenden Andruckkräfte.
Werkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Andruckwalze (1) gasgefüllt ist und

(a) ihre auf die Matrizenbahn (3) wirkende Andruckfläche und/oder

(b) ihre Elastizität

durch die Mittel zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der beim elastischen Andrücken lokal wirkenden Andruckkräfte veränderbar sind.
Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Andruckwalze (1) quer zur Rollrichtung in zwei, drei oder mehr Segmente unterteilt ist, wobei die Segmente relativ zueinander beweglich sind, so dass sie in einem ersten Betriebszustand so zueinander angeordnet werden können, dass die Andruckfläche gemeinsam von sämtlichen Segmenten gebildet wird und in einem zweiten Betriebszustand so zueinander angeordnet werden können, dass ein, zwei oder mehr Segmente nicht zur Bildung der Andruckfläche beitragen. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens eines aushärtbaren Materials, die so angeordnet ist, dass sie beim Verfahren der Andruckwalze (1) über die Oberfläche deren Bewegung begleitet, vorzugsweise nachfolgt, und auf einen Teil der Oberfläche und/oder des dort applizierten aushärtbaren Materials einwirkt. Werkzeug nach Anspruch 5, wobei die Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens eine Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung und/oder eine Heizeinrichtung zum Bestrahlen und/oder Beheizen des aushärtbaren Materials und/oder eine Einrichtung zur Erzeugung eines Wechselmagnetfeldes und/oder eine Einrichtung zum Fernhalten von Luftsauerstoff vom aushärtbaren Material und/oder eine Elektronenstrahlquelle umfasst. Werkzeug nach Anspruch 6, wobei die Strahlungsquelle eine Lampe (5) für IR-, NIR-, sichtbares oder UV-Licht ist. Werkzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens so angebracht ist, dass das Aushärten des aushärtbaren Materials durch Durchstrahlen oder Erwärmen der Matrizenbahn (3) erfolgt. Werkzeug nach Anspruch 8, wobei

– die Strahlungsquelle eine (5) für IR-, NIR-, sichtbares oder UV-Licht ist

und

– die Matrizenbahn (3) so ausgewählt ist, dass sie für zumindest einen Teil des von der Lampe (5) ausgestrahlten Lichts durchlässig ist, wobei die Matrizenbahn (3) vorzugsweise eine Transmission von zumindest 60% bei der Wellenlänge besitzt, bei der das von der Strahlungsquelle abgestrahlte Licht sein Emissionsmaximum besitzt.
Werkzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei der Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens eines aushärtbaren Materials eine Kühleinrichtung zugeordnet ist, um ein Überhitzen des Werkzeugs zu verhindern. Werkzeug nach Anspruch 10, wobei die Kühleinrichtung ein Gebläse zum Erzeugen eines Kühlluftstromes umfasst, der die Anlage der Matrizenbahn (3) mit ihrer das Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur umfassenden und gegebenenfalls aushärtbares Material tragenden Seite an der Substratoberfläche nicht beeinflusst oder verstärkt. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Werkzeug eine Vorrichtung (11) zur Aufbringung des aushärtbaren Materials auf die Matrizenbahn (3) umfasst. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Walze (7), die so eingerichtet ist, dass sie beim Verfahren des Werkzeuges über die Oberfläche die Matrizenbahn (3) wieder abnimmt. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das die Matrizenbahn (3) bildende Material eine Shore A-Härte von 20–60, vorzugsweise 25–45 besitzt. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Matrizenbahn (3) eine Oberflächenenergie im Bereich von 17–40 mN/m, vorzugsweise 20–30 mN/m besitzt. Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend Mittel zum Einstellen und/oder Steuern und/oder Regeln der Dicke der applizierten Schicht. System zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, umfassend

– ein Werkzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 11 und

– ein aushärtbares Material, welches mittels der Vorrichtung zum Beschleunigen des Aushärtens beschleunigt aushärtbar ist.
System zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, umfassend

– ein Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 16,

– ein aushärtbares Material und

– ein Substrat mit einer zu beschichtenden, gegebenenfalls mehrfach gekrümmten Oberfläche,

wobei

die Matrizenbahn (3), die Substratoberfläche und das aushärtbare Material so gewählt sind, dass das aushärtbare Material unter Betriebsbedingungen im nicht ausgehärteten Zustand an der Matrizenbahn (3) haftet und diese benetzt, an der Substratoberfläche aber zumindest nach (teilweiser) Aushärtung besser haftet als an der Matrizenbahn (3).
System nach Anspruch 18, wobei das Substrat ein Bestandteil eines Schiffes, eines Unterseeboots, eines Flugzeugs, eines Landfahrzeugs wie Automobil oder Schienenfahrzeug, eines Rotorblatts, eines Architekturbauwerkes oder einer Pipeline ist. Verfahren zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche, umfassend die Schritte:

a1) Bereitstellen eines aushärtbaren, mikrostrukturierbaren Materials,

a2) Bereitstellen eines Werkzeuges nach einem der Ansprüche 1–16,

a3) Erzeugen der Schicht aus dem aushärtbaren, mikrostrukturierbaren Material mittels des Werkzeuges auf der Substratoberfläche,

a4) Aushärten der Schicht des aushärtbaren, mikrostrukturierbaren Materials auf der Substratoberfläche

oder

b1) Bereitstellen eines Systems nach einem der Ansprüche 17 bis 19,

b2) Erzeugen der Schicht aus dem aushärtbaren, mikrostrukturierbaren Material mittels des Werkzeuges auf der Substratoberfläche,

b3) Aushärten der Schicht des aushärtbaren, mikrostrukturierbaren Materials auf der Substratoberfläche.
Gegenstand umfassend eine Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer mehrfach gekrümmten Substratoberfläche, wobei die Mikrostruktur im Bereich der Mehrfachkrümmung mittels

– eines Werkzeuges nach einem der Ansprüche 1–16,

– eines Systems nach einem der Ansprüche 17 bis 19 oder

– eines Verfahrens nach Anspruch 20 erzeugt werden kann.
Gegenstand nach Anspruch 21, wobei der Gegenstand ein Schiff, ein Unterseeboot, ein Flugzeug, ein Landfahrzeug wie Automobil oder Schienenfahrzeug, ein Rotorblatt, ein Architekturbauwerk, eine Pipeline oder ein Teil eines dieser Gegenstände ist. Verwendung

– eines Werkzeuges nach einem der Ansprüche 1–16 oder

– eines Systems nach einem der Ansprüche 17 bis 19

– zum Erzeugen einer Schicht mit mikrostrukturierter Außenfläche auf einer Substratoberfläche.






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