DE102017107319B3

DE102017107319B3 - Method for producing filigree designs and component produced by this method

Info

Publication number: DE102017107319B3
Application number: DE102017107319.1A
Authority: DE
Inventors: Dustin Liedtke
Original assignee: WKW Erbsloeh Automotive GmbH
Current assignee: WKW Engineering GmbH
Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2018-06-21
Anticipated expiration: 2037-04-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung filigraner Designs an der Oberfläche eines Bauteils aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung. So wird im ersten Schritt mittels eines mechanischen und / oder chemischen Aufrauprozesses eine gewünschte erste Oberflächenstruktur erhalten und in einem zweiten Schritt durch Aufschmelzen der Aluminiumoberfläche des Bauteils in ausgewählten Teilbereichen der ersten Oberflächenstruktur eine zweite Oberflächenstruktur erzielt. Die Oberfläche des Bauteils wird durch nachfolgende anodische Oxidation geschützt.The invention relates to a method for producing filigree designs on the surface of a component made of aluminum and / or an aluminum alloy. Thus, in the first step, a desired first surface structure is obtained by means of a mechanical and / or chemical roughening process and, in a second step, a second surface structure is achieved by melting the aluminum surface of the component in selected subregions of the first surface structure. The surface of the component is protected by subsequent anodic oxidation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung filigraner Designs an der Oberfläche eines Bauteils aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung, wobei dieses Verfahren zwei Oberflächenbehandlungsschritte zur Erzielung unterschiedlicher Oberflächenstrukturen an der Oberfläche des Bauteils umfasst.The invention relates to a method for producing filigree designs on the surface of a component made of aluminum and / or an aluminum alloy, this method comprising two surface treatment steps to achieve different surface structures on the surface of the component.

Zierblechteile, Zierprofilleisten und Funktionsteile aus Aluminium in Form von oberflächenbehandelten, gewalzten Blechteilen oder oberflächenbehandelten, extrudierten Profilen werden sowohl im Außen- als auch Innenbereich von Kraftfahrzeugen eingesetzt, als auch als Dekorationsteile bei Haushaltsgeräten oder elektronischen Geräten verwendet. Hierbei ist es insbesondere auch gewünscht, an einem Bauteil unterschiedliche Oberflächenstrukturen vorzusehen. In einem bekannten Verfahren werden kontrastierende Oberflächenbereiche in einem zweistufigen Verfahren erzeugt. Im ersten Schritt der Oberflächenbehandlung wird das Bauteil mechanisch poliert und eine erste glänzende Oberflächenstruktur erhalten. Auf diese polierte Oberfläche werden manuell eine oder mehrere Schablonen oder andere Maskierungen aufgebracht, um Bereiche der polierten Oberfläche abzudecken. Die freibleibenden Bereiche werden in einem zweiten Behandlungsschritt einem Strahlprozess unterzogen. Hierdurch wird in den freibleibenden Bereichen eine mattierte Oberflächenstruktur erhalten. Anschließend werden die abgedeckten polierten Bereiche wieder freigelegt. Auf diese Weise lassen sich Bauteile mit zwei aneinander grenzenden, optisch unterschiedlich wirkenden Oberflächenbereichen erzeugen. Je nach Form und Anzahl der Abdeckungen können auch grafische Elemente auf der polierten Oberfläche erzielt werden. Schwieriger ist es beispielsweise Schriftzüge zu gestalten, da hierfür in der Regel eine größere Anzahl nicht zusammenhängender Einzelelemente, z.B. für das Vorsehen von diakritischen Zeichen oder Interpunktionszeichen, vorzusehen ist. Es ist auf diese Weise nicht möglich, sehr feine Strukturen mit sehr geringen Linienstärken zu erzeugen, da es während des Strahlprozesses zu einer Ablösung der Maskierung an deren Kanten kommen kann und das Strahlmittel diese Kanten unterwandert. Dies hat eine Reduzierung der Randschärfe des zu erzeugenden grafischen Elements zur Folge. Nachteilig ist auch der manuelle Aufwand für das Anfertigen, das Aufbringen, das Entfernen und die Entsorgung der Maskierungen. Darüber hinaus erhöht sich beim Handling im Zusammenhang mit der Maskierung das Beschädigungsrisiko für die Aluminiumoberfläche des Bauteils, da die Aluminiumoberfläche während dieser Oberflächenbehandlungsschritte noch sehr kraftempfindlich ist und erst nachfolgend der chemischen Oberflächenbehandlung zugeführt wird, wo die Aluminiumoberfläche anodisch oxidiert und verdichtet wird.Decorative sheet metal parts, ornamental moldings and functional parts made of aluminum in the form of surface-treated, rolled sheet metal parts or surface-treated, extruded profiles are used both in exterior and interior of motor vehicles, as well as used as decoration parts in household appliances or electronic devices. In this case, it is particularly desirable to provide different surface structures on a component. In a known method, contrasting surface areas are produced in a two-stage process. In the first step of the surface treatment, the component is mechanically polished and obtained a first glossy surface structure. One or more stencils or other masks are manually applied to this polished surface to cover areas of the polished surface. The remaining areas are subjected to a blasting process in a second treatment step. As a result, a frosted surface structure is obtained in the remaining areas. Subsequently, the covered polished areas are exposed again. In this way, components with two adjacent, optically different acting surface areas can be produced. Depending on the shape and number of covers also graphic elements on the polished surface can be achieved. It is more difficult, for example, to design lettering since, as a rule, a larger number of non-contiguous individual elements, e.g. for the provision of diacritical marks or punctuation marks. It is not possible in this way to produce very fine structures with very low lineweights, since during the blasting process the masking can come off at its edges and the blasting medium undermines these edges. This results in a reduction in the edge sharpness of the graphic element to be generated. Another disadvantage is the manual effort for the preparation, application, removal and disposal of the masks. Moreover, the handling associated with masking increases the risk of damage to the aluminum surface of the component because the aluminum surface is still very force sensitive during these surface treatment steps and is subsequently subjected to chemical surface treatment where the aluminum surface is anodically oxidized and densified.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für Zier- und Funktionsteile aus Aluminium eine Möglichkeit zu schaffen, filigrane Designs an deren Oberfläche aufzubringen.Object of the present invention is to provide a possibility for decorative and functional parts made of aluminum, filigree designs on the surface to apply.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und dem Bauteil nach Anspruch 7 erzielt. Vorteilhafte Ausführungsvarianten es Verfahrens und des Bauteils beschreiben die Unteransprüche.This object is achieved by a method having the features of claim 1 and the component according to claim 7. Advantageous embodiments of the method and the component describe the dependent claims.

Das neue Verfahren zur Behandlung von Oberflächen eines Bauteils aus Aluminium und/oder einer Aluminiumlegierung, nämlich zum Erzeugen filigraner Designs an der Aluminiumoberfläche, umfasst ebenfalls zwei Behandlungsschritte zur Erzielung zweier unterschiedlicher Oberflächenstrukturen an der Oberfläche des Bauteils. In diesem Fall wird im ersten Schritt mittels eines mechanischen und/oder chemischen Aufrauprozesses die gesamte Bauteiloberfläche oder zumindest die Sichtfläche des Bauteils behandelt, um auf der behandelten Fläche eine gewünschte erste Oberflächenstruktur zu erhalten. In diesem ersten Behandlungsschritt wird die Aluminiumoberfläche des Bauteils vorzugsweise mittels eines Strahlprozesses aufgeraut. Dabei trifft ein durch Druckluft beschleunigtes Strahlmittel auf die Aluminiumoberfläche des Bauteils auf. Je nach Strahlmittelart, nach Strahlmittelgeometrie oder Strahlmittelgröße wird eine gewünschte Rauheit für die erste Oberflächenstruktur erzeugt.The new method for treating surfaces of an aluminum and / or aluminum alloy component, namely for producing filigree designs on the aluminum surface, also comprises two treatment steps to achieve two different surface structures on the surface of the component. In this case, the entire component surface or at least the visible surface of the component is treated in the first step by means of a mechanical and / or chemical Aufrauprozesses to obtain a desired first surface structure on the treated surface. In this first treatment step, the aluminum surface of the component is preferably roughened by means of a blasting process. In this case, an accelerated by compressed air blasting agent encounters the aluminum surface of the component. Depending on the type of blasting agent, blasting material geometry or blasting medium size, a desired roughness for the first surface structure is produced.

Nach dem Aufrauen der Aluminiumoberfläche des Bauteils und Erhalten der ersten Oberflächenstruktur und vor der chemischen Oberflächenbehandlung, nämlich dem Anodisieren und Verdichten der Aluminiumoberfläche des Bauteils erfolgt eine zweite Oberflächenbehandlung des Bauteils. Hierbei wird in ausgewählten Teilbereichen der ersten Oberflächenstruktur die Aluminiumoberfläche des Bauteils aufgeschmolzen. Das Aufschmelzen der Aluminiumoberfläche erfolgt bis in eine Tiefe von 5 µm bis 50 µm, abhängig von der erreichten Rauheit der Oberfläche nach der vorangegangenen Behandlung.After roughening the aluminum surface of the component and obtaining the first surface structure and before the chemical surface treatment, namely the anodization and densification of the aluminum surface of the component, a second surface treatment of the component takes place. In this case, the aluminum surface of the component is melted in selected subregions of the first surface structure. The melting of the aluminum surface is carried out to a depth of 5 microns to 50 microns, depending on the achieved surface roughness after the previous treatment.

Das Aufschmelzen erfolgt durch einen Energieeintrag und zwar lokal nur in den vorgesehenen Teilbereichen, wo eine zweite Oberflächenstruktur erzielt werden soll. Es werden nacheinander die gewünschten Teilbereiche für die zweite Oberflächenstruktur aufgeschmolzen, wobei diese aufgeschmolzenen Teilbereiche nachfolgend schnell wieder erstarren. Dadurch werden die behandelten Oberflächenbereiche stark eingeebnet.The melting takes place by an energy input and locally only in the intended sub-areas, where a second surface structure is to be achieved. The desired partial areas for the second surface structure are melted one after the other, whereby these melted partial areas subsequently solidify again quickly. As a result, the treated surface areas are heavily leveled.

Eine solche zweite Oberflächenstruktur kann jede beliebige Form haben. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des Verfahrens zur Erzielung filigraner Designs mit Bereichen, die auch Linien einer minimalen Breite von 20 µm bis 1 mm umfassen. Such a second surface structure may have any shape. Is particularly advantageous the application of the method for achieving filigree designs with areas that also include lines of a minimum width of 20 microns to 1 mm.

Dieses Design kann die Form eines Schriftzugs, eines Logos, eines Musters oder eines sonstigen graphischen Elements haben.This design may take the form of a lettering, logo, pattern, or other graphic element.

Die für das Aufschmelzen der Aluminiumoberfläche notwendige Energie wird mittels elektromagnetischer Strahlung zur Verfügung gestellt, insbesondere mittels Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen. Bevorzugt sind Laserstrahlen, insbesondere ist die Verwendung eines diodengepumpten Festkörperlasers bevorzugt. Hierbei wird der Laserstrahl mittels eines Lichtleiters und einer optischen Einrichtung auf die Aluminiumoberfläche des Bauteils ausgerichtet. Der Laserstrahl gelangt durch eine Linse, z.B. eine Planfeldlinse, auf die Oberfläche des Bauteils. Durch eine entsprechende Auswahl der Brennweite dieser Linse wird die gewünschte Breite der aufzuschmelzenden Bereiche für die zweite Oberflächenstruktur eingestellt.The energy necessary for the melting of the aluminum surface is made available by means of electromagnetic radiation, in particular by means of laser beams or electron beams. Preference is given to laser beams, in particular the use of a diode-pumped solid-state laser is preferred. In this case, the laser beam is aligned by means of a light guide and an optical device on the aluminum surface of the component. The laser beam passes through a lens, e.g. a plan field lens, on the surface of the component. By appropriate selection of the focal length of this lens, the desired width of the areas to be melted for the second surface structure is set.

Bei einer Ausführungsform wird ein Bild des gewünschten filigranen Designs in einer elektronischen Einrichtung hinterlegt. Diese elektronische Einrichtung ist mit der Einrichtung gekoppelt, die einen Energiestrahl auf die zu behandelnde Oberfläche aussendet. Der ausgesendete Energiestrahl trifft nacheinander auf lokal unterschiedliche Teilbereiche der ersten Oberflächenstruktur des Bauteils auf. Die Position des Energiestrahls wird dabei entsprechend dem in der elektronischen Einrichtung abgespeicherten Bild der filigranen Struktur verändert. Hierbei ist die Leistung des Energiestrahls so bemessen, dass die bestrahlte Oberfläche aufgeschmolzen wird und sobald der Energiestrahl den aufgeschmolzenen Bereich verlässt wieder erstarrt. Auf diese Weise wird die Oberfläche eingeebnet und eine Reduktion der Oberflächenrauheit erzielt. Diese zweite Oberflächenstruktur weist eine Rauheit auf, die gegenüber der durch den Aufrauprozess hervorgerufenen Rauheit der ersten Oberflächenstruktur um mindestens die Hälfte reduziert ist. Dies führt dazu, dass der im zweiten Behandlungsschritt behandelte Teilbereich, d.h. das erzeugte filigrane Design, glatter und glänzender erscheint.In one embodiment, an image of the desired filigree design is deposited in an electronic device. This electronic device is coupled to the device, which emits an energy beam to the surface to be treated. The emitted energy beam hits successively on locally different subregions of the first surface structure of the component. The position of the energy beam is thereby changed according to the image of the filigree structure stored in the electronic device. Here, the power of the energy beam is dimensioned such that the irradiated surface is melted and solidifies again as soon as the energy beam leaves the molten area. In this way, the surface is leveled and achieves a reduction of the surface roughness. This second surface structure has a roughness which is reduced by at least half compared to the roughness of the first surface structure caused by the roughening process. As a result, the portion treated in the second treatment step, i. the filigree design created appears smoother and shinier.

Nach Erzielen der beiden Oberflächenstrukturen wird das Bauteil der chemischen Oberflächenbehandlung zugeführt, d.h. zumindest eine anodische Oxidation und eine Verdichtung, ggf. auch nur eine teilweise Verdichtung bzw. Anverdichtung, vorgenommen. Bei einer solchen Oberflächenbehandlung kann die Aluminiumoberfläche auch zusätzlich in bekannter Weise eingefärbt werden.After obtaining the two surface structures, the component is subjected to chemical surface treatment, i. at least one anodic oxidation and a compression, possibly even only a partial compression or compression, made. In such a surface treatment, the aluminum surface can also be dyed in addition in a known manner.

In vorteilhafter Weise entfallen bei diesem neuen Verfahren manuelle Tätigkeiten für eine Maskierung und auch der Aufwand für die Herstellung und die Entsorgung von Masken und Schablonen, da auf eine Maskierung verzichtet werden kann. Darüber hinaus lassen sich mittels des vorgeschlagenen Verfahrens filigrane Designs auf eine Vielzahl von Bauteilen reproduzierbar und ggf. vollautomatisch aufbringen. Mit dem Verfahren sind äußerst filigrane Designs erstmals möglich und zwar auch minimale Strichstärken von unter 1 mm. Dies war mit dem eingangs beschriebenen Verfahren des Standes der Technik nicht möglich. Bei anderen bekannten Verfahren wird eine filigrane Struktur durch Abtragen von Oberflächenmaterial, beispielsweise durch Gravieren, oder durch Auftragen von Beschichtungsmaterial, beispielsweise durch Drucken, möglich. Bei dem neuen Verfahren erfolgt eine Oberflächenbehandlung ohne Abtragen von Oberflächenmaterial oder Auftragen von zusätzlichem Beschichtungsmaterial, um am Bauteil eine Aluminiumoberfläche mit zwei unterschiedlichen Oberflächenstrukturen zu erhalten.In this new method, manual operations for masking and also the expense for the production and disposal of masks and templates are advantageously eliminated since masking can be dispensed with. In addition, by means of the proposed method, filigree designs can be reproducibly and, if necessary, fully automatically applied to a large number of components. The process allows extremely delicate designs for the first time, even with minimum line widths of less than 1 mm. This was not possible with the method of the prior art described above. In other known methods, a filigree structure by removing surface material, for example by engraving, or by applying coating material, for example by printing, possible. In the new process, a surface treatment is carried out without removing surface material or applying additional coating material in order to obtain on the component an aluminum surface with two different surface structures.

Darüber hinaus ist es möglich, eine Vielzahl von Bauteilen einem ersten Behandlungsschritt zu unterziehen und nur für ausgewählte gleiche Bauteile den zweiten Behandlungsschritt vorzusehen, beispielsweise für Bauteile einer Standardserie und Sonderserien. Dies reduziert die Herstellungskosten für solche Bauteile.Moreover, it is possible to subject a multiplicity of components to a first treatment step and to provide the second treatment step only for selected identical components, for example for components of a standard series and special series. This reduces the manufacturing cost of such components.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Das Bauteil ist ein Zierteil aus einem Aluminiumblech einer AlMg1-Legierung (EN AW-5005). Dieses Aluminiumblech wird auf seiner Vorderseite durch einen Strahlprozess aufgeraut. Es wird eine mattierte Aluminiumoberfläche als erste Oberflächenstruktur erzeugt. Die gemittelte Rauheit (Ra) dieser Aluminiumoberfläche beträgt Ra1 = 50 µm. Nachfolgend wird ein Teilbereich dieser ersten mattierten Oberflächenstruktur mittels eines Laserstrahls behandelt. Hierbei handelt es sich um einen diodengepumpten Festkörperlaser mit einer Leistung von 50 Watt. Dieser Laserstrahl gelangt über eine Lichtleitfaser und durch eine Scanneroptik mit austauschbarer Planfeldlinse auf die Aluminiumoberfläche des Bauteils, nämlich des Aluminiumblechs. Die Brennweite der Planfeldlinse ist in diesem Fall 330 mm.Hereinafter, an embodiment will be described. The component is a trim part made of an aluminum sheet of an AlMg1 alloy (EN AW-5005). This aluminum sheet is roughened on its front by a blasting process. A matted aluminum surface is produced as the first surface structure. The average roughness (Ra) of this aluminum surface is Ra1 = 50 μm. Subsequently, a portion of this first frosted surface structure is treated by means of a laser beam. This is a diode-pumped solid-state laser with a power of 50 watts. This laser beam passes through an optical fiber and through a scanner optics with exchangeable plan field lens on the aluminum surface of the component, namely the aluminum sheet. The focal length of the field lens is 330 mm in this case.

Die weiteren Parameter des gepulsten Laserstrahls sind:

Wellenlänge: 1062 +/- 4µm
Pulsenergie: 0,5 mJ
Pulslänge: 200 ns
Pulsfrequenz: hoch
Energiedichte pro Puls: ca. 6 J/cm².

The other parameters of the pulsed laser beam are:

Wavelength: 1062 +/- 4μm
Pulse energy: 0.5 mJ
Pulse length: 200 ns
Pulse frequency: high
Energy density per pulse: approx. 6 J / cm ² .

Der gepulste Laserstrahl wird automatisiert über die Aluminiumoberfläche gefahren und Teilbereiche der Aluminiumoberfläche nacheinander durch den Laserstrahl aufgeschmolzen und nachfolgend, nachdem der Laserstrahl den Teilbereich verlassen hat, erstarrt diese Aluminiumoberfläche wieder. Das so behandelte Bauteil wird in bekannter Weise eloxiert und verdichtet.The pulsed laser beam is automatically moved over the aluminum surface and melted portions of the aluminum surface sequentially by the laser beam and subsequently, after the laser beam has left the sub-area, solidifies this aluminum surface again. The component thus treated is anodized and compacted in a known manner.

Beiliegend wird ein Bild 1 überreicht, welches sowohl die erste Oberflächenstruktur auf der linken Bildhälfte als auch die zweite Oberflächenstruktur auf der rechten Bildhälfte zeigt. Das Bild hat eine Vergrößerung von ca. 1 : 300. Die zweite Oberflächenstruktur weist eine gemittelte Rauheit Ra2=21 µm auf. Sie erscheint somit glatter. Diese gemessene mittlere Rauheit Ra2=21 µm ist damit um mehr als die Hälfte geringer als die mittlere Rauheit der ersten Oberflächenstruktur, welche Ra1=50 µm beträgt.Enclosed is an image 1 presented, which shows both the first surface structure on the left half of the picture and the second surface structure on the right half of the picture. The image has a magnification of approximately 1: 300. The second surface structure has an average roughness Ra2 = 21 μm. It therefore appears smoother. This measured average roughness Ra2 = 21 μm is thus more than half less than the average roughness of the first surface structure, which is Ra1 = 50 μm.

Durch das Aufschmelzen der Oberflächenbereiche werden diese geglättet und ein filigranes Design beispielsweise in Form mehrerer Buchstaben auf einer mattierten Vorderseite erzeugt. Die Buchstaben besitzen dann die zweite Oberflächenstruktur und sind durch den Energieeintrag des Laserstrahls erzeugt. Sie werden als glänzend empfunden, insbesondere zu dem benachbarten mattierten Hintergrund der ersten Oberflächenstruktur. Hierbei sind durch eine Auswahl der Brennweite des Lasers beliebige Linienstärken, insbesondere auch Linienstärken unter einem 1 mm möglich, nämlich Linienstärken im Bereich von 20 µm bis 1 mm.By melting the surface areas they are smoothed and a filigree design, for example, in the form of several letters on a frosted front generated. The letters then have the second surface structure and are generated by the energy input of the laser beam. They are perceived as shiny, especially to the adjacent frosted background of the first surface texture. In this case, by selecting the focal length of the laser, arbitrary line thicknesses, in particular also line widths of less than 1 mm, namely line widths in the range from 20 μm to 1 mm, are possible.

Claims

Method for producing filigree designs on the surface of a component made of aluminum and / or an aluminum alloy, comprising two surface treatment steps to achieve different surface structures on the surface of the component, characterized in that - in the first step by means of a mechanical and / or chemical Aufrauprozesses at least the visible surface the component is treated in order to obtain a desired first surface structure on the treated visible surface, - melting the aluminum surface of the component in selected partial areas of the first surface structure to obtain a second surface structure, namely melting the aluminum surface to a depth of 5 μm to 50 μm, - By successively the desired subregions for the second surface structure are melted by energy input and these melted subsections subsequently quickly solidify again, - wherein durc h, fusing the second surface structure is obtained in a shape of a desired filigree design, which includes design areas with a minimum width of 20 microns to 1 mm, - subsequent anodic oxidation of the component and then at least partially densifying the oxide layer of the entire surface of the component.

Method according to Claim 1 , characterized in that the filigree design of the second surface structure is a lettering, a logo or a pattern.

Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the melting of the aluminum surface to achieve the second surface structure by means of electromagnetic radiation, in particular by means of laser beams or by electron beams, more preferably by means of a diode-pumped solid-state laser.

Method according to Claim 3 , characterized in that the filigree design to be achieved is deposited as an image in an electronic device which is coupled to a device which emits an energy beam to the visible surface to be treated and wherein the energy beam emitted for melting sequentially over portions of the first surface structure of the visible surface the component is moved and changed its position according to the filigree structure stored in the electronic device.

Method according to Claim 3 or 4 , characterized in that the laser beam passes by means of a light guide and by a plane field lens to the visible surface of the component, wherein the width of the regions to be melted for the second surface structure is adjustable by selecting the focal length of this plane field lens.

Method according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that a roughening takes place by means of a blasting process, wherein an accelerated by compressed air blasting agent strikes the visible surface of the component.

Component of aluminum and / or an aluminum alloy, produced by a method according to one of Claims 1 to 5 , with a visible surface having a first frosted surface structure with an average roughness Ra1 and those in partial areas of the first surface structure, a second surface structure in the form of a filigree design, such as a lettering, logo or pattern, wherein the filigree design at least halved compared to the first surface structure averaged roughness Ra2.

Component with a filigree design in the form of a lettering, logo or pattern on the Visible surface after Claim 7 for use as a trim part or functional part for motor vehicles, for household appliances or for electronic devices.