NANOOPTISCHES FARBPR GEN

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von farbigen Oberflächenstrukturen unter Verwendung von Interferenzen in bestimmten Wellenlängen die saubere Farben ergeben, bzw. durch Erzeugung von sogenannten Strukturfarben sowie die daraus hergestellten Produkte. Die Oberflächen werden mit Prägestempeln und Walzen im Nanometerbereich hergestellt. Derartige Verfahren bzw. Produkte sind beispielsweise bekannt durch den one ounce silver dollar aus Australien.

[0002] Das Dokument DE 197 22 575 A1 wird als nächstliegender stand der Technikangesehen und offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrostrukturen, insbesondere auf metallischen Oberflächenstrukturen, umfassend wenigstens eine Einrichtung zur Schaffung von Mikrostrukturen, wobei die Einrichtung einen Prägestempel enthält.

[0003] Der australische Silberdollar ist mit einem farbigen Känguru versehen, siehe Figur 7. Zum Stand der.Technik, farbige Oberflächen wie die des Silberdollars werden durch das Aufbringen von pigmenthaltigen Farben oder ähnliche Schichten aufgebracht. Daran ist nachteilig, dass derartige Oberflächen sich zwar hinter Glas sehr lange halten, nicht jedoch im täglichen Gebrauch wie beispielsweise in einem Portemonnaie. Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und eine Möglichkeit zu schaffen, ein kostengünstiges und zuverlässiges Farbgebungssystem nebst den es enthaltenden Produkten, das die Fälschungsmöglichkeiten tunlichst unterbindet, zu erzeugen. Die Erfindung nutzt das physikalische Prinzip der Interferenz. Diese Strukturfarben gehen auf Interferenzerscheinungen zurück und sind bei besonderen Schmetterlingen und Pfauenarten zu beobachten. An den Beugungsgitterstrukturen bricht sich das Licht und bringt eine Gesamtfarbe hervor, die nach Einfall des Lichts verschieden sein kann. Ziel der Erfindung ist es nun, derartige Oberflächen durch Prägen zu erzeugen. Dieses Prägeverfahren findet insbesondere bei Münzen und nichtrostenden Blechen, bei Schmuckwaren, im Automotivebereich Anwendung. Denkbar ist, jedwedes Originalersatzteil, bzw. jede Münze oder andere Bleche mit einer derartigen Strukturfarbe fälschungssicher zu kennzeichnen. Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren: Farben müssen nicht aufgetragen werden. Farben müssen nicht getrocknet werden. Münzen können schnell mit fälschungssicheren Oberflächen versehen werden. Architektur mit Einzelstempelsteuerung hergestellten Mustern in Edelstahlblechen usw. Lösung: Der Stempel wird im Nanobereich durch Drehen, Matrixerodieren, Laserabtragung hergestellt. Ein alternatives Verfahren ist die Herstellung von Masterstempeln in Pixelgröße, der dann zum Erodieren des Arbeitsstempels verwendet wird. Monokristalline Diamanten sind wegen ihres Feingefüges von Vorteil. Die Brillanz ist besonders vorteilhaft. Physikalische Grundlagen: Sichtbares Licht befindet sich im nm-Bereich von Violett ca. 400 nm, Blau 486 nrn, Grün 527 nm, Gelb 589nm, Rot 687 nm. Diese Wellenlängen definieren nun die geometrische Struktur der zu schaffenden Strukturfarbgebungsstruktur, wie dies beispielhaft in Figur 1 dargestellt ist. Im untersten Bild von Figur 1 wird derjenige Teil des Lichts, der reflektiert wird vom Auge als jeweilige Farbe registriert, was bedeutet, dass die Abstände der Gitter zueinander verantwortlich sind für den jeweiligen Farbeffekt. Das Licht, das nicht reflektiert wird, wird unterhalb der Gitterstruktur verschluckt und tritt für das Auge wahrnehmbar nicht in Erscheinung. Die in Figur eins dargestellte Stufengitterstruktur ist also für eine schillernde Farbenpracht verantwortlich, da Licht unterschiedlicher Wellenlänge aufgrund der unterschiedlichen Gitterabstände reflektiert wird. Bei der Herstellung der Punzen und Prägestempel wird nun der Beugungseffekt ähnlich der Farben der Schmetterlingsflügel und der Pfauenfeder in Form einer zu schaffenden Prägestruktur nachgeahmt, die ein Beugungsgitter erzeugt. Auf dem Prägestempel wird nun z.B. die Negativstruktur von Figur 1 nachgebildet. Der Abstand der Kreuzgitter bestimmt die Farbe. Der Prägestempel dringt vorzugsweise ca. ¼ der Breite in die Oberfläche ein. Der Bereich des Innengitters schluckt den restlichen Farbanteil und wirkt etwas samtig, d. h. die Gittermatrix ist blank, der Innenteil rau. Hiermit wird die gewünschte Farbe reflektiert, die nicht bevorzugte Farbe geschluckt, bzw. absorbiert.

[0004] Im Wellenbereich des sichtbaren Lichtes wird nun auf eine metallische Oberfläche durch Prägen, dh. durch Kalt-, Halbwarm- oder evtl. Warmumformung unter Schutzgas die Oberfläche so plastisch bleibend verformt, dass durch die Interferenz die entsprechende Farbe erzeugt wird. Vorzugsweise werden monolithische Werkstoffe zum Prägen verwendet, da diese keine Kristallstruktur mit Korngrenzen aufweisen, die größer als die Wellenlänge des Lichtspektrums der jeweiligen zu prägenden Farbe sind. Monolithische Werkstoffe sind unter anderem Diamanten und monolithisch gezüchtete Quarze. Die Härte des Diamanten ist jedoch von Vorteil. Blaue Diamanten sind elektrische Halbleiter und lassen sich durch Senkerodierverfahren mit Masterelektroden clonen. Der Clonstempel wird als Masterstempel im Negativ hergestellt Hiermit können mehrere Arbeitsstempel hergestellt werden. Monolithische Halbleiter-Quarze können als Clon-Elektrode verwendet werden. Bevorzugt werden zur Herstellung der Masterelektroden als Aktuatoren Quarze verwendet. Siehe Katalog von PI- Physik Instruments. Diese sind im Nanobereich steuerbar. Das Prägeverfahren zur Erzeugung von farbigen Oberflächen bzw. zur Erzeugung von sogenannten Strukturfarben erfolgt ohne Einbringung von Farbpigmenten, sondern durch plastisch bleibende Oberflächenverformung, was beispielhaft in Figur 1 dargestellt wird. In Figur 1 ist in starker Vergrößerung eine Rippenstruktur dargestellt, die als Stufengitter mit Hilfe von einfallendem Licht, das durch die Pfeile dargestellt wird, die schillernden Interferenzfarben erzeugt. Die Punze wird aus monolithischen Kristallen, insbesondere durch Laserbearbeitung hergestellt. Walzen aus monolithischen Diamanten im "Ei"' durch Methanabscheidung erzeugt die Diamanthülle und wird als Walze abgeschieden. Die monolithische Diamanthülle wird durch Laserbearbeitung nanogeriffelt. Die harte Oberfläche des Prägestempels oder der Walze dringt soweit in den Gegenwerkstoff mit der Struktur in die Oberfläche ein, dass dieser plastisch bleibend verformt wird. Einzelkristalle werden oberhalb der Rekristallisationstemperatur unter Schutzgas bleibend verformt. Der Prägestempel bzw. dessen Bewegung wird über Quarz so geregelt, dass die Eindringtiefe den Prägekristall nicht zerstört. Durch die Anordnung der unterschiedlichen Prägestempel -für unterschiedliche Farbeffekte- sind Mehrfarbendrucke erzeugbar. Wie beispielsweise beim Farbnadeldrucker! Ein Prägestempel mit integrierter Heizung und auf dem Mutterstempel aufgelötetem Prägediamant wird in Figur 2 dargestellt. Zum Makroprägen wird eine Presse verwendet. Der monolithische Stempel besteht vorzugsweise aus Diamant. Bilder werden dadurch erzeugt, dass die Diamantstempel in Tiffany-Art angeordnet werden.

[0005] Die Prägestempel werden mit elastischen Zwischenschäften zur Presskraftbegrenzung verwendet. In Figur 4 wird ein System zur Press- bzw. Prägekraftkonstanthaltung gezeigt, mit Prägefläche 1, Lotfassung 2, Diamantträger 3, Dichtung 4, Stempelträger 5, Diamant 6, Speicher 7, Rückschlagventil 8, Vorfüllpumpe 9 und Ölpolster 10. Bei der Verformung von Einzelkristallen im Nanobereich wird bei ca. 800 °C im Halbwarmbereich oberhalb der Rekristalfisationstemperatur unter Schutzgas geprägt. Hierbei geht bzw. bleibt das Kristallgitter bleibend in der angestrebten bzw. gewünschten Form.

[0006] Bei bestimmten Metallen z.B. Gold oder Kupfer mit ihrer eigenen Grundfarbe, wird, im Gegensatz zu Silber oder Edelstählen, die Grundfarbe durch Phasenverschiebung der Wellenlange und der daraus resultierenden Interferenz kompensiert. Der Prägestempel wird so vorgeheizt, dass die Oberfläche des zu prägenden Werkstoffes so aufgewärmt wird, dass der Werkstoff oberhalb der Rekristallisationstemperatur verformt wird.

[0007] Zur Herstellung des Prägestempels wird ein monokristalliner Diamant mit Cobalt lasergelötet. Die Phasenverschiebung des Interferenzgitters wird dem Grundwerkstoff so angepasst, dass die gewünschte zu erzeugende Farbe erzeugt wird. Beispielsweise wird bei Euromünzen der Stern zur Erhöhung der Fälschungssicherheit in die Vertiefung geprägt und damit verkratzungssicher geschützt. Man nennt dies Protektprägen. Vorzugsweise liegt die Vertiefung derart angeordnet, dass das kleinste Geldstück einer Währung wie im vorliegenden Beispiel das 1 Cent Stück nicht in die Vertiefung eindringen kann, da eine Schutzschulter dies wie in den Figuren 5 und 6 dargestellt, verhindert. Zur Herstellung der Prägestempel werden beispielsweise Mikrokreuztische z. B der Fa. PI verwendet werden, diese sind mit Piezoquarz verfahrbar und somit mit Laser im Mikrobereich schnell verschiebbar ca. 3000 Hz. Dies führt zu kleinen Bearbeitungszeiten.

[0008] Die Prägestempel werden zur Reinigung und zur Schmierung mit nano - Partikeln aus kolloidalem Teflon elektrostatisch mikrobeschichtet. Die Nachreinigung wird im Ultraschallbad mit Wasser durchgeführt. Zur Herstellurig der Masterstruktur wird ein, Strukturfarben aufweisender originaler Schmetterlingsflügel oder eine Pfauenfeder (Vanessa Io) so abgetastet, dass um die Eindringtiefe der elastischen Verformung vergrößert und dann mit Laser oder Elektroabtragung abgetragen wird.

[0009] Vorzugsweise sollen die Tiere nur betäubt werden und dadurch nicht getötet werden müssen. Die Abarbeitung der Oberflächenstruktur wird durch magnetisches Abtragen mit schmirgelnden Mikropartikel im interferenten Magnetfeld vollzogen. Die Frequenz bestimmt den Abstand des Interferenzgitters und somit die Farne der erzeugten Wellenlänge. Die Abtastung des Flügels kann auch mit Aurafotographie im Nanobereich erzeugt werden. Die Lichtquelle befindet sich im radiologischen Spektrum der Wellenlänge von ca. 2 nm. Röntgenstrahlenfotographie mit 5000er Film. Die Bearbeitung erfolgt in einer Vacuumröhre durch Elektronenstrahlgitter. Durch Werkstoffverdampfung wird abzutragendes Material verdampft. Die Prägeplatte wird vorab atomar poliert. Das Reflexionsgitter mit der Gitterkonstante d=B'B wird zur Prägung vorab ausgemessen. Siehe hierzu auch Figur 3. Bei den Euro-Münzen wird der oder die Sterne zur Fälschungssicherheit und zur Zerkratzungsverminderung in einer versenkten Kuhle eingeprägt, wie dies in den Figuren 5 und 6 zu sehen ist. Diese Kuhle wird zusätzlich noch zur Zentrierung des Prägestempels verwendet. Der Prägestempel wird mit Fälscherwinkel versehen. Der Fälscherwinkel dient zur Betrachtung der Farbe bei definiertem Betrachtungswinkel z. B. 45. Grad zur Wappensenkrechten in zwei Ebenen. Dies ist in Figur 3 dargestellt. Die Einprägung mehrfarbig und mit Fälscherwinkel mittels mehrerer Prägevorgänge zu erzeugen, macht den Prägevorgang kompliziert und damit äußerst fälschungssicher. Der Fälscherwinkel ist in einer vorteilhaften Weiterbildung mit Hologrammprägen zu kombinieren und erhöht die Fälschungssicherheit. Der Fälscherwinkel mit korrespondierender Testeinrichtung 11 hilft z.B. bei der Landeszentralbank automatisch in Zähleinrichtungen mit, die Münzen auf Echtheit zu kontrollieren, was mittels einer Spektralkamera und Winkelcodierung kontrolliert wird. Mit der Interferenz, Bragg Bedingung wird das Treppchen der Echelette Gitter erfüllt. Hierbei entstehen mit den Randbedingungen des Echelette-Gitters klarere Farbenspiegelungen. Das besagte Verfahren sorgt für die Fälschungssicherheit von Münzen, wenn es angewendet wird, bzw. Anwendung findet.

[0010] Durch Durchperforieren von Folien des durchgestanzte Material auf die Münze aufgeprägt und mit Prägestempel nanooptisch mit Farbe, insbesondere mit Strukturfarbe versehen wird. Mit Schließprägestempel, Formprägestempel wird die innenliegende Fläche durch Überhöhung vor Verkratzung geschützt. Der Prägestempel, wird aus elektronenstrahlpoliertem Monokristall, Diamant, hergestellt. Platten, insbesondere aus austenitischen Blechen werden feingewalzt und dann farbgeprägt. Der Prägestempel wird mit einem Elektronen- oder einem Röntgenbohrersystem an der Oberfläche poliert und bearbeitet. Diese sogenannte Clustersputtering wird in den Figuren 8 und 9 dargestellt. Vorab werden über ein CAD-System die Parameter im CAD/CAM-Verknüpfung parametrisiert und dargestellt, bzw. bearbeitet. Auf diese Weise werden beim Euro, insbesondere mit höheren Werten die Fälschung erschwert. Die Diamanten werden an der Oberfläche geheizt. Hierdurch sind Umformungen in der Kristallstruktur oberhalb der Rekristallisationstemperatur der Werkstoffe möglich. Die Netzlinien 90 + -5° werden zueinander elektropoliert, elektronenstrahlbearbeitet, eingebracht.

[0011] Das Kreuzgitter wird mit Fem in der Einfederung beim Umformen so geformt bzw. bearbeitet, dass die Farbbrillianz und Reinheit erhalten wird. Das gesamte Farbspektrum kann mit Mehrfarbendruck erzeugt werden. Der Diamant wird mit bestimmten Farben vorgefertigt und wird dann geschnitten auf Mutterstempel, insbesondere über Laserlöten im Tiffany- Verfahren befestigt. Bei ein- oder mehrstufigen Prägepressen wird der Stempel durch ein optisches Erkennungssystem über rotatorisch angetriebenen Prägestempel dieser bildsynchron/winkelsynchron ausgerichtet. Der oder die Prägestempel werden im Clustersputtersystem mit kurzwelligem Röntgenlaser bearbeitet, wie dies in Figur 8 und 9 dargestellt ist. Der bzw. die Diamanten werden aus SP 6 Gitter gefertigt. Die Diamanten sind wegen der Schubspannungslinien unter 45 ° und unter 90 ° angeordnet. Die Prägefließlinien sind dadurch genauer. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 1 bis 10 enthalten. Die in den Ansprüchen erwähnte Presse ist nicht ausdrücklich dargestellt, es kann sich hierrbei um bekannte Pressen handeln, wie sie z.B. im Münzprägen bekannt sind, beispielsweise als sogenannte C-Presse. Der Prägestempel ist mit einer Presskraftkonstanthaltung ausgerüstet, wie die in Figur 4 dargestellt ist. Die Presskraftkonstanthaltung oder die Kraftbegrenzung schützt die Stempel vor Überlast und Zerstörung. Die Herstellung der Prägestempel erfolgt vorzugsweise durch Clustersputter-Laserbrennen, d.h. der besonders kurzwellige Röntgenlaser wird über optisch oder magnetische Linsen in besonders viele parallel angeordnete Einzelstrahlen aufgespalten. Hiermit lässt sich die Anzahl der Verfahrwege kleiner halten. Die Mehrfachzerlegung der Strahlen gibt eine kürzere Brennzeit und wird damit kostensparend, siehe hierzu Figuren 8 und 9.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Strukturfarben, insbesondere auf metallischen Oberflächenstrukturen, umfassend wenigstens eine Einrichtung zur Schaffung von Beugungsgitterstrukturen, wobei die Einrichtung zur Schaffung von Beugungsgitterstrukturen wenigstens einen Prägestempel enthält, wobei der Prägestempel wenigstens einen wenigstens eine Prägestruktur aufweisenden monolithischen Werkstoff umfasst, welcher Werkstoff keine Kristallstruktur mit Korngrenzen aufweist, die grösser als die Wellenlänge des Lichtspektrums der jeweiligen zu prägenden Farbe sind, und welcher eine Prägestruktur in Form eines Kreuzgitters aufweist, wobei der Abstand des Kreuzgitters die Farbe bestimmt.

2. Anspruch Verfahren zur Erzeugung von Strukturfarben, insbesondere auf metallischen Oberflächenstrukturen, wie beispielsweise Blechen, Ersatzteilen oder Münzen, dadurch gekennzeichnet, dass insbesondere eine Vorrichtung nach Anspruch 1 zum Einsatz kommt.

Claims

1. System for production of structural colours, in particular on metallic surface structures, including at least one device for production of diffraction grating structures, with said device for production of diffraction gratings providing for at least one die, with said die consisting of at least one monolithic material with an embossed texture, said material not having to it any grain boundary larger than the wavelengths of the light spectrum of the colour to be struck and which exhibits an embossed texture in the form of a cross grating, with the colour being determined by the spacing of said cross grating.

2. Process for production of structural colours, in particular on metallic surface structures, such as sheet metal plates, spare parts or coins, characterised by the use of a system according to Claim 1.

Revendications

1. Système de production de couleurs de structure, en particulier sur les structures de surfaces métalliques, comportant au moins un appareil de production de structures de réseau de diffraction. Le dit appareil de production de structures de réseau de diffraction comprend au moins une estampe. La dite estampe est constituée d'au moins un matériau monolithique avec une structure embossée. Le matériau en question n'a aucune structure cristalline ayant un joint de grain plus large que la longueur d'ondes du spectre de la lumière de la couleur devant être estampée et qui présente une structure embossée en forme de réseau en croix, la couleur étant déterminée par l'espace entre les croix.

2. Processus de production de couleurs de structure, en particulier sur les structures de surfaces métalliques, comme par exemple tôles, pièces de rechange, pièces de monnaie caractérisé par l'utilisation d'un système spécifique conformément à la demande 1.

Zeichnung