DE19722575A1 - Verfahren zum Einprägen von Mikrostrukturen in Metalle oder andere Hartstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einprägen von Mikrostrukturen in Metalle oder andere Hartstoffe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Münzprägung werden die für Münzen und Medaillen typischen plastischen, erhöht oder vertieft herausgearbeiteten, Gestaltungselemente mittels gehärteter Stahlstempel in den Rohling eingeprägt.

Bei diesen plastisch herausgearbeiteten Elementen handelt es sich üblicherweise um Schriften, Zahlen, Bildelemente und den Rauchstab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten klassischen Gestaltungselemente in einem Metallstück, insbesondere einer Münze, mit Mikrostrukturen, insbesondere Hologrammen, zu kombinieren und ein entsprechendes Herstellungsverfahren anzugeben.

Der dieser Erfindung zugrunde liegende Gedanke besteht darin, in Ersatz der klassischen Gestaltungselemente oder vorzugsweise in Kombination mit diesen Elementen, zusätzliche optisch wirksame Elemente zu integrieren, welche die Fälschungssicherheit, den Gebrauchswert und den ästhetischen Wert der Münze deutlich erhöht.

Diese zusätzlichen Elemente können bildhafte Hologramme sein oder holographisch erzeugte optische Lichtbeugungs- oder Lichtbrechungselemente, oder mechanisch erzeugte Lichtbeugungs- oder Brechungselemente oder anderweitige Feinstrukturen. Diese zusätzlichen Münzgestaltungselemente, wie z. B. holographische Mikrostrukturen, verleihen der Münze vier wesentliche Elemente zusätzlicher Wertschöpfung:

• 1. wesentlich erhöhte Fälschungssicherheit,
• 2. Automatenerkennbarkeit der holographischen Sicherheitsbestandteile durch optische Sensoren in Münzautomaten oder anderen Prüfstellen,
• 3. außerordentlich erhöhter optisch ästhetischer Wert,
• 4. wesentlich erhöhter Sammlerwert.

Mittels bisher bekannten Techniken der Münzstempelherstellung ist es nicht möglich, optisch wirksame Beugungselemente mit der notwendigen Feinheit der Relieftiefe zwischen 0,2 µm und 0,9 µm in die Stahlstempel einzubringen.

Daher liegt die Grundlage des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Verwendung einer neuen Vorstufe der Stempelfertigung in der die klassischen Gestaltungselemente mit den zusätzlich optisch wirksamen Elementen kombiniert werden.

Die Fertigung dieser Stufe erfolgt vorzugsweise in gegenüber dem späteren Prägestahl vergleichsweise weichere Metalle oder sonstige Materialien.

Dabei werden vorzugsweise die separat gefertigten optisch wirksamen Beugungselemente (oder Vorstufenmaster) galvanisch abgeformt in z. B. einem Nickelsulfamatbad.

Diese Abformungskopie des optisch wirksamen Vorstufenmasters in Nickel läßt sich noch relativ leicht bearbeiten und z. B. kontur- oder formgerecht ausfräsen oder laserschneiden und kann sodann feinmechanisch mit dem noch ungehärteten Stahlrohling, welcher bereits die klassischen Formelemente enthält, kombiniert werden.

Diese klassischen Formelemente werden mit den bekannten Techniken in den weichen Werkzeugstahl eingearbeitet.

In vorgesehene form-kongruent ausgearbeitete (gravierte oder gelaserte) Vertiefungen werden die ebenfalls abmessungsidentisch vorbereiteten optischen Vorstufenmasterkopien eingelassen.

Vorzugsweise wird nach dieser mechanischen Kombination der klassischen Formelemente und der optischen Beugungselemente eine weitere galvanische Abformung hergestellt.

Auf diese Weise erhält man bereits eine homogene, geschlossene metallische Oberfläche, welche bei dem weiteren Fertigungsschritt, dem sogenannten Umprägen, nicht zerfällt oder auseinandergedrückt wird.

Vorzugsweise wird diese weitere Abformung, welche als Mastermatrize bezeichnet werden soll, in einer größeren Härte als der des ungehärteten Werkzeugstahls hergestellt.

Mit der auf dieser Weise erzeugten kombinierten Mastermatrize ist es nun möglich, in den noch ungehärteten Stahlrohling das Gesamtprägebild einschließlich der holographischen und sonstigen Mikro-Markrostrukture einzuprägen.

Dieser erfindungsgemäß gefertigte Stahlstempel wird nun nach bekannten Verfahren gehärtet und für die weitere Nutzenkopien in weitere noch ungehärtete Rohlinge in beliebiger Stückzahl "umgeprägt". Diese werden nach anschließendem Härten für die Produktion verwendet.

Eine weitere bevorzugte Vorgehensweise ist eine Fertigungstechnik zur Abformung der Mastermatrize, welche in der Abformkopie bereits so hart eingestellt wird, daß ein Umprägen in Werkzeugstahl und anschließendes Härten entfällt und damit die Verwendung klassischer Stahlstempel überflüssig macht.

Erfindungsgemäß wird dabei ein mehrschichtiger Aufbau der Abformkopie erzeugt, wobei den Legierungsbädern von besonderer Härte noch matrixverstärkende Hartstoffe, wie z. B. Diamant, eingelagert werden können, und wobei die feinstrukturierte Oberflächenschicht aus einer z. B. plasmatisch erzeugten, diamantähnlichen, kohlenstoffhaltigen Schicht gebildet wird.

Nachstehend sind verschiedene Ausführungsbeispiele der vorstehend offenbarten erfindungsgemäßen Techniken beschrieben.

Die Figur zeigt einen Matrixaufbau eines Prägestempels.

Die optisch wirksamen Masterbestandteile, wie z. B. holographische Beugungsgitter, werden galvanisch von einer Fotoresistschicht abgeformt, welche durch Laserbelichtung ihre lichtbeugende (und bilderzeugende) Reliefstruktur erhalten hat. Diese Strukturen haben typische Linienweiten zwischen 800 Linien und 1.500 Linien pro Millimeter und Relieftiefen zwischen 0,2 µm und 0,9 µm (1 µm = 1/1000 mm).

Bei den durch Laserbelichtung erzielten optisch wirksamen Elementen kann es sich um bilderzeugende holographische Interferenzmuster handeln oder um lichtbrechende oder lichtbeugende Oberflächenstrukturen, welche aufgrund ihrer optischen Eigenschaften Einsatz finden im Sicherheitsbereich, im wissenschaftlichen Bereich, im technischen Bereich und in dekorativen Anwendungen.

Die galvanische Abformung der vorgenannten Mikrostrukturen kann auch von anderen Substraten als von laserbelichteten Fotoresistschichten erfolgen.

Optisch wirksame Mikrostrukturen und lichtbeugende oder lichtbrechende Elemente müssen jedoch nicht zwangsläufig durch Laserbelichtung in Fotoresist erfolgen. Z. B. können Lichtbeugungselemente auch durch direkte Gravur mittels Diamantwerkzeugen in Glas und andere Substrate eingebracht werden.

Ebenso können, nur als Beispiel aber nicht als Eingrenzung, Elektronenstrahl- oder Lasergravur eingesetzt werden, oder verschiedene Feinätztechniken.

Schließlich können mittels dem hier offenbarten Verfahren auch sonstige Feinstrukturen in den Prägestempel integriert werden.

Alle vorgenannten, mittels verschiedener Techniken erzeugten optisch wirksamen, lichtbrechenden, lichtbeugenden oder bilderzeugenden Elemente oder Flächen oder sonstige Feinstrukturen werden im Rahmen dieser Offenbarung des Verfahrens als Vorstufenmaster bezeichnet.

Diese galvanisch von einem Vorstufenmaster abgeformte Nickelmatrizen haben eine je nach Abscheidungsverfahren erzielbare Härten von 200-300 HV und sind somit eingestellt auf das derzeit im Holographiebereich eingesetzte thermoplastische Prägeverfahren (Vervielfältigungsverfahren) in Kunststoffe, wie z. B. diverse Folie- und Lacktypen.

Um das Phasenrelief holographisch erzeugter Beugungsgitter und Mikrostrukturen in metallische Substrate zu übertragen, deren Härtegrad bei ca. 400 VH und höher liegt, werden holographische Prägestempel oder Prägestempel mit anderen optisch wirksamen Beugungselementen mit einem Härtegrad » 1000 VH hergestellt.

Dies wird durch drei Verfahren oder eine Kombination der drei erreicht:

• a) Abscheidung von Nickel-Legierungen besonderer Härte von 500 1000 VH, z. B.
  Nickel-Chrom-Kobalt-Zinn-Legierungen besonderer Härte, z. B.:
  Nickelabscheidungen = 200-250 VH (Vickers-Härte)
  Kobalt-Nickelabscheidungen = 400-550 VH
  Glanzkobaltabscheidungen = 550-600 VH
  Nickel-Zinnabscheidungen = 600-750 VH
  Hartchromabscheidungen = « 1000 VH.
  Ungehärteter, weicher Werkzeugstahl hat je nach Stahltyp eine Härte beginnend bei ca. 400 VH. Schon allein eine Kobalt-Nickelabscheidung übertrifft die Härte von ungehärtetem Werkzeugstahl.
• b) Einlagern von speziellen Hartstoffen in der Nickelmatrix zur Erzielung von Härten ab 1000 VH
  Eine Erhöhung der Härte » 1.000 VH geschieht z. B. durch Einlagerung feinstverteiltem Diamantstaubs in die Metallmatrix während der galvanischen Abscheidung.
• c) Plasmatische Ablagerung bzw. Abformung mittels diamantähnlicher, kohlenstoffhaltiger Schichten
• d) Kombination der vorstehenden Schritte a, b, c zur Erzielung von Härten von 1000 bis 2000 VH
• e) Im Härtegrad ansteigender Mehrschichtaufbau, wobei die letzte Oberflächenschicht aus einer diamantähnlichen, kohlenstoffhaltigen Schicht gebildet wird, welche eine Härte von 3500 VH 0,01 aufweist.

Die Figur zeigt folgendes:
Schicht 1 zeigt eine holographische Mikrostruktur, alternativ gebildet aus plasmatischen Ablagerungen diamantähnlicher Materialien.

Schicht 2 ist eine diamantverstärkte Schicht, erzeugt durch Hartstoffeinlagerung in die Metallmatrix.

Die Schichten 2, 3, 4 weisen unterschiedliche Härte auf, erzeugt durch spezielle Legierungsbäder oder Metallspritzverfahren.

Claims (6)

1. Verfahren zum Einprägen von Mikrostrukturen in Metalle oder andere Hartstoffe, insbesondere Münzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrukturen galvanisch in eine erste Prägevorstufe abgeformt wurden, daß die erste Prägestufe mechanisch mit einer zweiten, insbesondere klassische Gestaltungselemente aufweisenden Prägestufe kombiniert wird, daß die derart kombinierten Prägevorstufen zu einer Mastermatrize größerer Härte umgeformt werden, deren Prägebild in einen Prägerohling umgeprägt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prägerohling gehärtet wird und von dem Prägerohling Produktionsrohlinge abgezogen werden.

3. Verfahren zum Einprägen von Mikrostrukturen in Metalle oder andere Hartstoffe, insbesondere Münzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrostrukturen galvanisch in eine erste Prägevorstufe abgeformt werden, daß die erste Prägevorstufe mechanisch mit einer zweiten, insbesondere klassische Gestaltungselemente aufweisende Prägestufe kombiniert wird, daß die derart kombinierten Prägevorstufen zu einer Mastermatrize höherer Härte ausgeformt werden, von denen die Produktionsrohlinge abgezogen werden.

4. Mastermatrize zum Einprägen von Mikrostrukturen in Metalle oder andere Hartstoffe, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grundschicht (4) mit einer ersten metallischen Trägerschicht (3) verbunden ist, auf die eine zweite diamantverstärkte Trägerschicht (2) aufgetragen ist, und daß auf der zweiten Trägerschicht (2) eine Mikrostrukturen enthaltende Legierungsschicht (1) angeordnet ist, wobei die Schichten von der Grundschicht ausgehend ansteigende Härtegrade aufweisen.

5. Münze oder dergleichen mit einer in die Oberfläche der Münze eingeprägten oder reliefartig angeordneten Struktur, dadurch gekennzeichnet, daß die Münze zusätzlich eine eingeprägte Mikrostruktur, insbesondere ein Hologramm, aufweist.

6. Münze oder dergleichen, hergestellt durch ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4.