專利名稱：沖壓模、使工件表面形成構造的方法和陽極氧化表面層的應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有形成構造的沖壓面的沖壓模、用來制造具有形成構造的沖壓面的沖壓模的方法，用來使工件表面形成構造的方法和一種帶有開口空腔的通過陽極氧化設置的表面層的應用。
該沖壓是一種成形加工方法，用以在工件上產生浮雕形的或形成構造的表面。這里應用一種帶有形成凹凸輪廓的或者說形成構造的沖壓面的沖壓模。該沖壓面這樣以一種沖壓力壓在工件待形成構造的表面上或在表面上滾壓，使工件變成塑性的，并流入沖壓模或者說沖壓面的凹坑內。由于沖壓力很大，沖壓模和沖壓面通常由金屬制成。
帶有非常精細的形成構造的或形成凹凸輪廓的沖壓面的沖壓模的制造成本很高。為了形成納米級的所謂“蟲眼結構”規則設置的、蛋盒形的凸起-或精細的筋條，由實踐得知，通過應用兩個干涉激光束使用一具有周期強度調制的照射構造，來照射光敏材料。在照射過的材料顯影以后形成一周期的表面結構，它通過不同的成形方法成形在其他材料上，最后通過電鑄成形成形在例如鎳幣上。這種類型的制造成本非常高，并且只適合用于平面形表面的形成構造。
在本發明中納米級理解為具有小于1000nm，特別是小于500nm的構造寬度的凹凸輪廓或構造。該構造寬度表示這樣的尺寸，即單個構造元素，如凸起，以這個尺寸不斷重復，也就是說例如相鄰的凸起或相鄰的凹坑相互之間的中心距。
在納米范圍內用來使沖壓模的沖壓面形成構造的平版印刷法只有在非常嚴格的條件下才能應用。這里必須考慮，僅僅可見光的波長就已經為400至750nm。在任何情況下平版印刷法的成本都非常高。
DE 19727132 C2公開了通過電解成型制造沖壓模的方法。在電成型時沖壓模的金屬沖壓面進行電介加工，其中沖壓面的金屬作為陽極在快速流動的電介液中以小的間距位于陰極的對面，并且表面被溶解。在這里金屬或者說沖壓面得到由陰極的形狀確定的構造，也就是說陰極構成一樣件，它被電化學成形。另外DE 19727132 C2設想采用一種軋輥形的旋轉電極，其外殼面具有所希望沖壓的構造的反輪廓。這里成本也很可觀，并且形成納米級的構造同樣只有在某些條件下才有可能。
本發明的目的是提供一種沖壓模及一種制造沖壓模的方法，在工件表面上形成構造的方法和一種帶有開口空腔的通過陽極氧化設置的表面層的應用，其中可以用簡單和經濟的方法形成納米級的構造。
上述目的通過按權利要求1的沖壓模、通過按權利要求10或15的方法或通過按權利要求17的應用來實現。有利的改進結構是從屬權利要求的內容。
本發明一個主要的想法是，采用多孔氧化層，而且特別是具有開口空腔的表面層作為沖壓模的沖壓面，這種表面層通過陽極氧化直接地或者說沒有樣件地由陰極模形成。這帶來很多優點。
首先，氧化層，特別是優選考慮的氧化鋁，比較硬。鑒于沖壓力常常很大，為了能夠沖壓不同材料的工件并使沖壓模達到長的壽命，這是有利的。
第二，沒有樣件地氧化可以非常簡單和經濟地實現。特別是空腔的產生(幾乎)與所用的陰極的形狀和結構無關，也就是說不需要樣件或者說陰模，就像在電成型時那樣。
第三，所設想的通過陽極氧化無樣件地形成開口空腔使得可以用非常簡單和成本低廉的方法制造納米級的構造。特別是可以制造500nm和更小，甚至100nm和更小的構造寬度。
第四，根據所選擇的工藝條件的不同可以按需要改變空腔的布局-規則的或不規則的-和面密度。
第五，同樣通過改變工藝條件-特別是通過改變在陽極氧化時的電壓-可以調整和改變沖壓面的空腔形狀，從而改變其構造。
第六，陽極氧化表面層可以直接地，也就是說不用再成形，用作沖壓模的沖壓面。
本發明其它的優點、性能、特征和目標由下面借助于附圖
對一個優選的實施例的說明得到。該唯一的附圖表示-所推薦的沖壓模和用它形成構造的工件的大大簡化的剖視圖。
該附圖以大大簡化的剖視圖表示具有一形成構造的，也就是形成凹凸輪廓的或者說浮雕形的沖壓面2的所推薦的沖壓模1。沖壓面2由一表面層3的平的側面構成，該表面層設有開口的、通過陽極氧化產生的空腔4。
在所示例子中表面層涂覆在沖壓模1的基體5上。例如表面層3通過等離子涂覆涂在基體5上。但是表面層3也可以直接由基體5構成，亦即是基體5的一個表面區。
當然表面層3也可以通過其它方法沉積在基體5上。
在示例中表面層3優選由鋁制成，它特別是通過等離子涂覆涂在基體5上，并良好地附著在由金屬、特別是鐵或鋼制成的基體5上。
表面層3至少局部地，在示例中直至頂層6的深度陽極氧化，由此直接在表面層3上形成空腔4。空腔4直接地或者說無樣件地形成，也就是說空腔4的結構、布置、形狀等等-與電成形不同-至少基本上與氧化時所用的(未畫出)陰極的表面形狀和遠近無關。而是按照本發明充分利用“整流作用”，也就是在表面層3氧化或陽極氧化時-至少特別是在所謂的單向導電性金屬-中出現自動形成空腔4。但是這種直接的或者說無樣件的空腔4的形成并不排除通過陰模附加地(事前或事后)使沖壓面2或空腔4成型或形成構造。
根據表面層3氧化得多完整或者說多深，或者表面層3是否直接由基體5構成，表面層3可以相應于氧化的頂層6。在這種情況下可以例如取消在示例中由鋁制成的、促使頂層6和基體5之間非常好地附著的中間層7。
例如按照一種實施方案未涂覆的基體5可以在其構成沖壓面2的表面上陽極氧化，形成一多孔的氧化層和空腔4。這例如在由鐵或鋼，特別是高級合金鋼制成的基體5時是可以的。在這種情況下表面層3相當于頂層6，也就是氧化層。
作為特別優先的材料已經提到了鋁和鐵或鋼，特別是高級合金鋼，這種材料至少主要用來形成陽極氧化的表面層3或者說頂層6。但是也可以采用例如硅和鈦以及其他單向導電性金屬。
在示例中尺寸比例沒有按比例真實畫出。
沖壓模1或其沖壓面2優選具有一納米級的構造密度S，特別是30至600nm，優選是50至200nm。
空腔4和其開口具有一基本上為10至500nm，尤其是15至200nm，特別是20至100nm的平均直徑D。
在示例中空腔4做成基本上是細長的，其深度T最好至少為上述平均直徑D的0.5倍，特別是約為該直徑D的1.0至10倍。
這里空腔4至少做成基本上形狀相同的、特別是做成基本上圓柱形的。但是空腔4也可以具有與此不同的形狀，例如基本上做成圓錐形的。
一般來說空腔4也可以具有沿其深度T在形狀和/或直徑方面不同的橫截面。此外空腔4可以作為粗構造例如分別做成基本上圓錐形的，并且為了沿其壁形成細構造各自例如設置許多細的凹坑(小空腔)。
尤其是空腔4在表面層3的表面上或沖壓面2上至少基本上規則分布。但是也可以考慮不規則分布。
該空腔和其開口最好以109至1011/cm2的面密度分布在沖壓面2上。在示例中該面密度在沖壓面2上基本上是恒定的。但是根據需要該面密度在沖壓面2上也可以按區域變化。
空腔4的開口的面積最好最多為沖壓面2的延伸面積的50％。鑒于在沖壓時出現很大的應力，通過這種方法達到沖壓面2或表面層3/頂層6的足夠高的穩定性和承載能力。
一般來說空腔4的形狀、布置、面密度等等可以通過相應地選擇陽極氧化時的工藝條件來控制。例如在鋁氧化時在靜電位條件下-也就是說在電壓至少基本上不變的情況下-空腔4在其深度T上達到至少基本上均勻的橫截面，也就是說至少達到至少基本上圓柱形的形狀。相應地可以通過改變電壓來控制空腔4的形狀。例如恒電流氧化-即在電流至少基本上保持不變時-造成大致成圓錐形的或山丘形的空腔4，因此用這種方法可以形成一類“蟲眼結構”之類的結構。此外空腔4的面密度，即沖壓面2單位面積上的空腔4數，取決于陽極氧化時的電壓和電流。
在必要時空腔4在其形狀、深度和/或在沖壓面2上的面密度，可以特別是按區變化的和/或只在沖壓面2的局部區域上形成空腔4。
在必要時沖壓面2也可以在氧化-也就是產生空腔4-的前和/或后例如通過平版印刷法、酸洗和/或其他的，尤其是材料切除的方法修改，以便在沖壓面上產生例如軌道、接片、帶或不帶空腔4的區域、大面積凸起或凹陷等形狀的粗結構。
為了修整沖壓面2或空腔4也可以進行化學擴大，特別是通過局部酸蝕去除氧化材料。用這種方法可以改變或擴大空腔4的開口面積與沖壓面2的延展面積的面積比。當然通過這種方法也可以對沖壓面2或空腔4進行其他修整-根據作用時間和強度的不同。
該所推薦的方案的特別的優點是，沖壓面2也可以做成彎曲的-例如圓柱形的-或拱起的-例如透鏡形或半球形的。特別是沖壓面2實際上可以具有任意的形狀。也就是說與現有技術不同，不要求沖壓面2或表面層3/頂層6的表面至少基本上是平面形的。
其次該附圖示出了一工件8，同樣以大大簡化的、尺寸比例不準的剖視圖表示，在已經沖壓好的狀態，也就是說帶一已經通過沖壓模1形成構造的表面9。該沖壓特別是通過沖壓模1以相應的沖壓力壓在工件8的待形成構造的表面9上的方法進行，使得工件8的材料至少部分流入空腔4內。這里不要求工件8像該附圖中示意表示的那樣做成一體。而是工件8也可以具有一個未畫出的，不同的表面層或表面涂層等等，它構成表面9并借助于沖壓模1形成構造或做成浮雕形。
代替沖頭形的沖壓也可以在沖壓面2和/或待形成構造的表面9的相應的結構造型/形狀時進行沖壓模1的滾壓。例如沖壓面2和/或待形成構造的表面9可以做成彎曲的-例如圓柱形的-或拱起的，以便可以相互滾壓，以使表面9形成構造。
也就是說用該所推薦的方案既可以實現沖壓法，也可以實現滾壓法。
此外用該所推薦的方案既可以實現空心沖壓，也可以實現實心沖壓或者說模壓印。出于簡化的原因沒有畫出用于工件8的相應支座或相應的對應模具。
所推薦的沖壓模1可以使工件8或其表面9形成非常精細的構造。在必要情況下工件8或其表面9也可以首先用一形成粗構造的一在某些情況下也可以用迄今為止常用的方法制造的一種壓模，接著用形成細構造的、所推薦的沖壓模1多次形成凹凸輪廓或者說形成構造。這里特別是在用較細的沖壓模1進行第二次沖壓時使用較小的沖壓力，和/或在一中間工序內使表面9硬化，以使在第一次沖壓時產生的粗構造不致完全消失，而是達到兩個沖壓模的粗構造和細構造的疊加。這樣例如可以在工件8的表面9上產生具有許多比較小的、例如在10至400nm范圍內的凸臺的在0.1至50μm范圍內的比較大的凸起。
該所推薦的方法可以用非常簡單、成本低廉的方法在表面9上形成非常精細的構造。因此得到非常廣泛的應用。例如這種特別是非常精細的構造可用在抗反射層中，以改變形成構造的表面的輻射，用在傳感器技術中、催化器中、自清潔表面中，用來改善表面的可濕潤性等等。特別是所推薦的方法還延伸到具有形成構造的表面9的工件8的對于上述目的的應用，其中表面9借助于所推薦的沖壓模1形成構造。
該所推薦的方案特別適用于沖壓塑料-例如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、聚四氟乙烯等等-，金屬-例如金、銀、鉑、鋁、銦、鎘、鋅等等-、聚合物涂層-例如油漆、染料等等-和無機涂覆系統等等。
廣而言之，本發明的一個主要方面是，具有通過陽極氧化直接或無樣件地形成的空腔的表面層用作陰模和陽模，以便可以形成納米級的表面構造。
權利要求
1.具有形成構造的沖壓面(2)的沖壓模(1)，其特征為沖壓面(2)由具有開口的，通過陽極氧化無樣件地產生的空腔(4)的陽極氧化層(3)或頂層(6)構成。
2.按權利要求1所述的沖壓模，其特征為空腔(4)具有帶一尤其是至少基本上一致的10至500nm，尤其是15至200nm，特別是20至100nm的平均直徑(D)的開口面積。
3.按權利要求1或2所述的沖壓模，其特征為沖壓面(2)的構造寬度(S)基本上為30至600nm，特別是50至200nm。
4.按上述權利要求之任一項所述的沖壓模，其特征為空腔(4)具有一深度(T)，它至少為空腔(4)的平均直徑(D)的0.5倍，特別是大于空腔(4)的平均直徑(D)。
5.按上述權利要求之任一項所述的沖壓模，其特征為空腔(4)至少基本上做成圓錐形。
6.按上述權利要求之任一項所述的沖壓模，其特征為空腔(4)在其形狀、深度和/或在沖壓面(2)上的面密度方面特別是按區域改變的和/或僅僅在沖壓面(2)的部分區域上形成。
7.按上述權利要求之任一項所述的沖壓模，其特征為沖壓面(2)既具有細的又具有粗的構造。
8.按上述權利要求之任一項所述的沖壓模，其特征為沖壓面(2)是彎曲的，尤其是拱起的。
9.按上述權利要求之任一項所述的沖壓模，其特征為帶空腔(4)的表面層(3)或頂層(6)至少基本上由氧化鋁、氧化硅、氧化鐵、氧化的鋼和/或氧化鈦制成。
10.用來制造具有形成構造的沖壓面(2)的沖壓模(1)的方法，其特征為構成用來無樣件地產生開口空腔(4)的沖壓模(1)的表面層(3)或頂層(6)的沖壓面至少局部陽極氧化。
11.按權利要求10所述的方法，其特征為表面層(3)或頂層(6)恒電位氧化。
12.按權利要求10所述的方法，其特征為表面層(3)或頂層(6)以變化的電壓，特別是恒電流氧化。
13.按權利要求10至12之任一項所述的方法，其特征為鋁、硅、鐵、鋼和/或鈦被氧化。
14.按權利要求10至13之任一項所述的方法，其特征為沖壓面(2)在氧化前和/或后特別是通過平版印刷法，酸蝕和/或其他尤其是切除材料的方法修整，以產生特別是粗構造。
15.借助于具有形成構造的沖壓面(2)的沖壓模(1)使工件(8)的表面(9)形成構造的方法，其特征為借助于按權利要求1至9之任一項所述的沖壓模(1)使待形成構造的表面(9)形成構造，其中沖壓模(1)的沖壓面(2)以最好是預先規定的沖壓力壓在待形成構造的表面(9)上，和/或在它上面滾動。
16.按權利要求15的方法，其特征為表面(9)首先在第一步驟中借助于第一沖壓模(1)形成粗的構造，接著在第二步驟中，特別是用較小的沖壓力和/或特別是在表面(9)尤其是化學硬化以后借助于第二沖壓模(1)形成細的構造。
17.特別是按權利要求1至9之任一項所述的沖壓模(1)的，具有開口空腔(4)的通過陽極氧化直接設置的表面層(3)或頂層(6)的應用，其特征為帶有空腔(4)的表面層(3)或項層(6)用作用來使工件(8)的表面(9)形成構造的沖壓面(2)。
18.按權利要求17所述的應用，其特征為表面層(3)或頂層(6)至少基本上由氧化鋁、氧化硅、氧化鐵、氧化的鋼和/或氧化鈦構成。
全文摘要
推薦一種沖壓模、一種制造該沖壓模的方法、一種使工件表面形成構造的方法和陽極氧化表面層的應用，通過將具有通過陽極氧化無樣件地形成的空腔的表面層用作模具的方法簡單、成本低廉地進行納米級的沖壓。
文檔編號B29C59/02GK1437528SQ01811497
公開日2003年8月20日 申請日期2001年4月25日 優先權日2000年4月28日
發明者T·薩維托夫斯基 申請人:阿爾考弗表面股份有限公司