MATTHIESEN JOHANNES (DE)
| EP0650853A1 | 1995-05-03 | |||
| DE4338218A1 | 1995-05-11 | |||
| DE3509551C1 | 1986-08-07 | |||
| EP0421181A1 | 1991-04-10 |
| 1. | Verfahren zum Einprägen von Mikrostrukturen in Metalle oder andere Hartstoffe, insbesondere Münzen, dadurch aekennzeichnet, 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 gehärteten Stempel nun weitere Produktionsrohlinge umgeprägt und anschließend gehärtet werden. |
| 3. | Verfahren zum Einprägen von Mikrostrukturen in Metalle oder andere Hartstoffe, insbesondere Münzen, dadurch qekennzeichnet, daß die Mikrostrukturen galvanisch in eine erste Matrizenvorstufe abgeformt werden, daß die erste Matrizenvorstufe mechanisch mit einer zweiten, insbesondere klassische Gestaltungselemente aufweisende Matrizenvorstufe kombiniert wird, daß die derart kombinierten Prägevorstufen zu einer homogenen, materialeinheitlichen Mastermatrize höherer Härte in einem Stück abgeformt werden, von der weitere Doubletten abgeformt werden oder von der Produktionswerkzeuge abgeformt werden oder durch Umprägen in einen werden.Stahlstempelabgeprägt. |
| 4. | Verfahren nach Anspruch 3, dadurch qekennzeichnet, daß direkt von der kombinierten Matrize geprägt wird, wenn das eingearbeitete Matrizenmaterial der Mikrostrukturen bereits in einer höheren Härtestufe als das zu prägende Material gefertigt wurde. |
| 5. | Verfahren nach Anspruch 3, dadurch qekennzeichnet, daß auch in zwei Schritten mit zwei Stempeln, nämlich mit einem holographischen oder anderweitig mikrostrukturierten Stempel und mit einem konventionellen Prägestempel geprägt wird. |
| 6. | Mastermatrize zum Einprägen von Mikrostrukturen in Metalle oder andere Hartstoffe, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch aekennzeichnet, daß eine metallische Grundschicht (6) mit einer oder mehreren weiteren metallischen Zwischenschichten (4,5) verbunden ist, auf die eine oder mehrere diamantverstärkte oder durch andere Hartstoffeinlagerungen verstärkte Trägerschichten (1+2) aufgetragen sind, und daß auf der außenstromlos abgeschiedenen Trägerschicht (2) eine die Mikrostrukturen enthaltende diamantähnliche im Plasmaverfahren aufge brachte Kohlenstoffschicht (1) angeordnet ist, wobei die Schichten von der Grundschicht ausgehend ansteigende Härtegrade aufweisen. |
| 7. | Mastermatrize nach Anspruch 6, dadurch qekennzeichnet, daß bei Wegfall der DLCPlasmabeschichtung die Mikrostruktur in die der Härteabstufung nächsffolgende Schicht abgeformt ist. |
| 8. | Mastermatrize nach Anspruch 6, dadurch aekennzeichnet, daß die Matrize als partieller Stempel nur von den optisch wirksamen lichtbeugenden Bereichen gefertigt ist. |
| 9. | Münze oder dergleichen mit einer in der Oberfläche der Münze eingeprägten oder reliefartig angeordneten Struktur, dadurch qekennzeichnet, daß die Münze oder ein anderes geprägtes Produkt zusätzlich eine eingeprägte Mikrostruktur, insbesondere ein Hologramm, aufweist. |
| 10. | Münze oder dergleichen, hergestellt durch ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15. |
Bei der Münzprägung werden die für Münzen und Medaillen typischen plastischen, erhöht oder vertieft herausgearbeiteten Gestaltungselemente normalerweise mittels gehärteter Stahistempel in den Rohling eingeprägt.
Bei diesen plastisch herausgearbeiteten Elementen handelt es sich üblicherweise um Schriften, Zahlen, Bildelemente und den Randstab.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die genannten klassischen, plastischen Gestaltungselemente in einem Metallstück, insbesondere einer Münze, mit Mikrostrukturen, insbesondere Hologrammen, kombiniert werden können. Es soll auch ein neuartiges Prägewerkzeug zur Durchführung eines derartigen Verfahrens und eine neuartige Münze angegeben werden.
Diese Aufgaben werden durch die in den Ansprüchen 1,6 und 9 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
Der dieser Erfindung zugrunde liegende Gedanke besteht darin, in Ersatz der klassischen Gestaltungselemente oder vorzugsweise in Kombination und Ergänzung mit diesen Elementen, zusätzliche optisch wirksame Elemente in die Münze oder Metalle zu integrieren, welche die Fälschungssicherheit, den Gebrauchswert und den ästhetischen Wert der Münze oder des anderweitigen Produktes deutlich erhöht.
Die genannten optisch wirksamen, lichtbeugenden Mikrostrukturen können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit dem erfindungsgemäßen Werkzeug in die ebenen Bereiche des Metallstückes bzw. der Münze integriert werden. Auch können die Mikrostrukturen in die Oberfläche von plastisch erhöhten Gestaltungselementen integriert werden.
Die zusätzlichen optisch wirksamen Elemente können bilderzeugende Hologramme sein oder holographisch erzeugte optische Lichtbeugungs-oder Lichtbrechungselemente, oder mechanisch erzeugte Lichtbeugungs-oder Lichtbrechungselemente oder anderweitige Feinstrukturen. Diese zusätzlichen Münzgestaltungselemente, wie z. B. holographische Mikrostrukturen, verleihen der Münze oder dem anderweitigen geprägten Produkt vier wesentliche Elemente zusätzlicher Wertschöpfung : 1. Fälschungssicherheit,erhöhte 2. Automatenerkennbarkeit der holographischen Bestandteile durch optische Sensoren in Münzautomaten oder anderen Prüfstellen, 3. außerordentlich erhöhter optisch ästhetischer Wert, 4 wesentlich erhöhter Sammlerwert.
Mittels bisher bekannter Techniken der Münzstempelherstellung bzw. der Prägestempelherstellung ist es nicht möglich, optisch wirksame Beugungselemente mit der notwendigen Feinheit der Relieftiefe zwischen 0,2 p und 0,8, also unter 1 p, in die üblicherweise verwendeten Stahistempel einzubringen.
Daher liegt die Grundlage und/oder die erste Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Verwendung einer neuen Methode der Stempelfertigung, in der die klassischen Gestaltungselemente mit den zusätzlichen optisch wirksamen Elementen kombiniert werden und zu einer sodann materialhomogenen, einheitlichen Mastermatrize umgewandelt werden.
Die Fertigung dieser Stufe erfolgt vorzugsweise in gegenüber dem späteren Prägestahl vergleichsweise weicheren Metallen 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 faßt 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 ungehärteten 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 integrierte Kopie als Gesamtabformung hergestellt. Dieses geschieht galvanisch oder durch Abgießverfahren oder durch Spritzverfahren oder durch Aufdampfungsverfahren oder durch thermoplastische Abformung.
Das Abformmedium kann dabei aus Metall oder Kunststoff bestehen. Es können für die weiteren Arbeitsgänge und zur Archivierung von dieser Gesamtabformung oder von der mechanischen Kombination (Vorstufe) weitere Doubletten gezogen werden. Die hier bezeichnete Gesamtabformung soll erfindungsgemäß als Vorstufenmatrize bezeichnet werden.
Diese Vorstufenmatrize wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren in einem Mehrschichtenaufbau nun zu einem besonders hart-elastischen Stempel abgeformt.
Auf diese Weise erhält man eine homogene, geschlossene metallische Oberfläche, welche bei dem weiteren Fertigungschritt, 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 Werkzeugstahis 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-Makrostruktur einzuprägen.
Dieser erfindungsgemäß gefertigte Stahlstempel wird nun gehärtet und danach für die weiteren Nutzenkopien in weitere noch ungehärtete Rohlinge in beliebiger Stückzahl"umgeprägt". Diese werden nach anschließendem Härten als Prägestempel für die Produktionyerwendet.
Das Härten des Stahlstempels hat erfindungsgemäß so zu erfolgen, daß die optisch wirksame Mikrostruktur durch den Härtungsvorgang nicht negativ beeinflußt und in der Lichtbeugungseffizienz gemindert wird.
Es ist ein Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß die Oberflächenhärte der Mastermatrize so hart eingestellt werden kann, daß die Mikrostrukturen direkt in den bereits gehärteten Prägestempel, also in das Produktionswerkzeug, umgeprägt werden können.
Eine weitere bevorzugte Vorgehensweise ist eine Fertigungstechnik zur Herstellung der Mastermatrize, welche in der Abformkopie bereits so hart eingestellt wird, daß ein Umprägen in Werkzeugstahl und anschließendes Härten oder das Umprägen in den bereits gehärteten Stahistempel entfallen kann und damit die Verwendung klassischer Stahistempel überflüssig macht.
In dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Auflagenprägung direkt von den in der erforderlichen Anzahl hergestellten Doubletten der Mastermatrizen durchgeführt.
Erfindungsgemäß wird dabei ein mehrschichtiger, in der Härte ansteigender Aufbau der Abformformkopie erzeugt, wobei den Legierungsabscheidungen von besonderer Härte noch matrixverstärkende Hartstoffe, wie z. B. Diamant, Siliciumcarbonit oder Borcarbit eingelagert werden können, und wobei die feinstrukturierte Oberflächenschicht aus einer z. B. plasmatisch erzeugten, diamantähnlichen Kohlenstoffschicht gebildet wird.
Durch das erfindungsgemäße Werkzeugfertigungsverfahren erhält der Prägestempe ! durch den mehrschichtigen Aufbau eine Elastizität, welche ein Reißen, Springen oder Brechen des Stempels während des Prägevorganges ausschließt.
Da selbst dünne Plasmaabscheidungsschichten auf der Oberfläche der holographischen Mikrostruktur eine gewisse einebnende und die Beugungseffizienz mindernde Wirkung haben, wird erfindungsgemäß die Plasmabeschichtung nicht als letzte Schicht auf die Mikrostruktur der Prägeoberfläche aufgebracht, sondern in umgekehrter Reihenfolge als erste Schicht auf das Vorstufenmaster. Dieses Vorstufenmaster ist das reliefentwickelte laserbelichtete Fotoresist oder eine Abformung davon.
Erfindungsgemäß soll das Vorstufenmaster nach Beendigung des Mehrschichtenaufbaus oder nach einer Zwischenstufe von der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht abgetöst werden. Dies geschieht durch Lösungsmittel, Laugen oder Säuren, je nachdem, ob es sich um das Fotoresist-Vorstufenmaster selbst oder um eine Abformung oder einen Abguß davon oder eine Gravierung oder Ätzung in einem anderen Material handelt.
Die nun freigelegte Oberfläche der diamantähnlichen Kohlenstoffschicht dient als Prägefläche. Dieses erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet eine 1 zu 1 Abformung der Reliefstruktur ohne Einebnungen und Verluste der Beugungseffizienz.
Eine andere erfindungsgemäße Vorgehensweise der Prägestempelfertigung ist es, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine hart-elastische Mastermatrize nur von den holographisch oder anderweitig optisch aktiven Bereichen des anzufertigenden Prägestempels herzustellen und sodann nur diese partielle Mastermatrize in den noch ungehärteten Stahlstempel"umzuprägen", welcher bereits die übrigen gravierten Gestaltungselemente beinhaltet.
Eine daraus abgeleitete erfindungsgemäße Variante des Münzprägeverfahrens ist es, in zwei Prägeschritten zu arbeiten. Dabei werden nur die holographischen oder anderweitig optisch wirksamen Bereiche von dem partiellen optischen Prägestempel geprägt, während die klassischen plastischen Elemente von einem anderen Prägestempel der klassischen Ausführungsform geprägt werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Prägungen den jeweiligen Designs und den technischen Gegebenheiten entsprechend in den folgenden vier verschiedenen Produktionsmethoden durchzuführen : 1. Prägen von ganzflächigen ebenen Motiven und Flächen gebildet von lichtbeugenden Mikrostrukturen verschiedener Ausführungsformen. Das Prägen erfo ! gt erfindungsgemäß in einem Schritt.
2. Prägen von kombinierten klassischen plastischen Elementen und lichtbeugenden Mikrostrukturen, welche konturgerecht den freien Flächen der plastischen Elemente angepaßt sind.
Das Prägen erfolgt erfindungsgemäß in zwei Schritten mit je einem konventionellen Stempel, welcher die plastischen Elemente enthält, und mit einem zweiten Stempel, welcher konturgerecht an die Form der plastischen Elemente angepaßt ist und welcher die lichtbeugenden Mikrostrukturen enthält.
3. Prägen von kombinierten plastischen Elementen und lichtbeugenden Mikrostrukturen mit nur einem kombinierten erfindungsgemäßen Stempel.
4. Erfindungsgemäß kann die lichtbeugende Mikrostruktur auch in die Oberfläche der plastischen Elemente integriert werden, indem in dem erfindungsgemäßen Verfahren in zwei Schritten zunächst mit dem Mikrostrukturstempel die plane Oberfläche des Materials geprägt wird und anschließend mit dem plastisch konventionellen Stempel erhöhte oder vertiefte Elemente ausgeprägt werden. Die Mikrostruktur bleibt bei nicht zu hohem Prägedruck dabei erhalten.
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 Fotoresistplatte 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 p und 0,8 p (1 1/1000 mm).
Bei den durch Laserbelichtung erzielten optisch wirksamen Elementen kann es sich um bilderzeugende holographische Interferenzmuster handeln oder um andere lichtbrechende oder lichtbeugende Oberflächenstrukturen, welche allesamt aufgrund ihrer optischen Eigenschaften einzeln oder kombiniert 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.
Die Herstellung optisch wirksamer Mikrostrukturen und lichtbeugender oder lichtbrechender Elemente muß 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 abgeformten 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 Folien-und Lacktypen.
Um das Phasenrelief holographisch erzeugter Beugungsgitter und Mikrostrukturen in metallische Substrate zu übertragen, deren Härtegrad bei ca. 400 HV 0,1 und höher liegt, werden holographische Prägestempel oder Prägestempel mit anderen optisch wirksamen Beugungselementen mit einem Härtegrad von größer als 400 HV vorzugsweise über 1000 HV hergesteltt.
Dies wird durch drei Verfahren oder eine Kombination der drei Verfahren erreicht : a. Abscheidung von Nickel und Nickel-Legierungen besonderer Härte von 500- 1100 HV 0,1.
Nickelabscheidungen = 200-250 HV 0,1 Nickel-Kobaltabscheidungen = 400-550 HV 0,1 Nickel-Zinnabscheidungen 600-750 HV 0,1 Reduktive Nickel Phosphorabscheidungen = 550-1.100 HV 0, 1 Ungehärteter, weicher Werkzeugstahl hat je nach Stahltyp eine Härte beginnend bei ca. 400 HV. Schon allein eine Nickel-Kobaltabscheidung übertrifft die Härte von ungehärtetem Werkzeugstahl. b. Einbauen von speziellen Hartstoffen in die Nickelmatrix zur Erzielung von Härten ab 1000 HV 0,1.
Eine Erhöhung der Härte > 1000 HV 0,1 geschieht z. B. durch Einlagerung von Hartstoffen wie z. B. feinstverteiltem Diamantstaub, Siliciumcarbit oder Borcarbit in die Nickelmatrix während der galvanischen Abscheidung. Diese kann elektrolytisch oder außenstromlos (reduktiv) erfolgen.
Idealerweise sollten die Hartstoffgranulate eine Körnung von kleiner als 0,3 p aufweisen, damit sich diese matrixverstärkend besonders in das Relief der abzuprägenden Mikrostrukturen einbauen können.
Im Falle einer Hartstoffeinlagerung in eine stromlos abgeschiedene Nickel-Phosphor-Legierung kann durch Temperaturen von 400°C für etwa 1 h die Schichthärte von 570 auf 1400 HV 0,1 gesteigert werden.
Plasmabeschichtung bzw. Ablagerung oder Abformung mittels diamantähnlicher Kohlenstoffschichten (DLC-Schichten) als oberste Werkzeugschicht. _ Dabei werden die folgenden Oberflächenhärten erzielt : Me-C : H Schicht = Metalidotierte, elektrisch leitfähige Schicht mit Wasserstoffanteil, Härte 1.000-1.800 HV 0,1 a-C : H Schicht elektrisch isolierende Schicht mit Wasserstoff- anteil, Härte 2.000-4.000 HV 0,1 i-C Schicht elektrisch isolierende, wasserstoffreie Schicht, Härte bis 6.000 HV 0,1 d. Kombination der vorstehenden Schritte a, b, c, zur Erzielung von Härten von 1.000 bis 6.000 HV 0,1. e. Im Härtegrad ansteigender Mehrschichtaufbau, wobei die letzte Oberflächenschicht aus einer diamantähnlichen kohlenstoffhaltigen Schicht gebildet wird, welche eine Härte von 1.000 bis zu 6.000 HV 0,1 aufweist und wobei die Prägestempel trotz großer Oberflächenhärte so elastisch sind, daß ein Reißen, Springen oder Brechen während des Prägevorganges ausgeschlossen ist.
Die Figur zeigt folgendes : Schicht 1 zeigt eine holographische Mikrostruktur, alternativ gebildet aus einer plasmatischen Ablagerung einer diamantähnlichen Kohlenstoffschicht mit einer Oberflächenhärte von bedarfsweise bis zu 6.000 HV 0,1.
Schicht 2 ist eine außenstromlos (reduktiv) abgeschiedene Nickel-Phosphor- legierung, welche durch Temperung und gegebenenfalls durch matrixverstär- kende Einlagerung von Hartstoffen auf ca. 1.400 HV 0,1 eingestelit wird.
Schicht 3 ist eine elektrolytisch abgeschiedene hartstoff-verstärkte Nickel-Ko- balt-Legierung von ca. 750 HV 0,1, erzeugt durch z. B. Diamanteinlagerung oder Siliciumcarbiteinlagerung in die Metallmatrix.
Die Schichten 4,5,6 weisen unterschiedliche Härte auf, erzeugt durch verschiedene Legierungsbäder oder Metallspritzverfahren oder andere Metallabscheidungsverfahren.