(57)【要約】【課題】微細構造機能素子を有する部品のための原型法を提供する。【解決手段】意識的に一定の形状に、かつ意図的に１つの機能を満たすために、部品表面の一定の場所に、レリーフ状に成形されており、少なくとも１つの空間方向にマイクロメートル領域の特性寸法を有する、少なくとも１つの微細構造機能素子を有する部品のための原型法が開示されており、部品が、本質的に、金属材料から成形金型を利用して成形される。このような原型法は、それらの新たな適用範囲を開拓するために、特に大量生産および広域の使用を視野に入れて簡素化し、加速し、かつコスト的に有利に形成されるべきである。少なくとも１つの機能素子が成形金型の表面に形成される前記機能素子自体のネガで成形されることが提案される。さらに成形金型、コア、コアボックス、模型、原型および原模型が原型法を実施するために提案される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
意識的に一定の形状に、かつ意図的に１つの機能を満たすために部品表面の一定の場所にレリーフ状に成形されており、少なくとも１つの空間方向にマイクロメートル領域の特性寸法を有する、少なくとも１つの微細構造機能素子を有する部品のための原型法において、部品が本質的に金属材料から成形金型を利用して成形される原型法であって、
少なくとも１つの機能素子が成形金型の表面に形成される前記機能素子自体のネガで成形されることを特徴とする原型法。
【請求項２】
部品が、成形金型のキャビティの中の液体金属の固化によって成形されることを特徴とする、上記請求項記載の原型法。
【請求項３】
液体金属が、成形金型内への注入によって取り込まれることを特徴とする、上記請求項記載の原型法。
【請求項４】
成形金型の表面が、成形金型の充填前に薄い金属層を付けることを特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の原型法。
【請求項５】
成形金型が、１つの模型の原型法で、１つの模型から成形されることを特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の原型法。
【請求項６】
機能素子が模型に形成され、前記模型から成形金型に成形されることを特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の原型法。
【請求項７】
模型が、成形された成形金型から溶出、蒸発、燃焼または溶解によって除去されることを特徴とする、請求項５ないし６のいずれか一項記載の原型法。
【請求項８】
模型が、１つの原型法で、１つの原型から成形されることを特徴とする、請求項５ないし７のいずれか一項記載の原型法。
【請求項９】
機能素子のネガが、原型に形成されており、前記原型から模型に成形されることを特徴とする、上記請求項記載の原型法。
【請求項１０】
原型が、原型法で、１つの原模型から成形されることを特徴とする、請求項８ないし９のいずれか一項記載の原型法。
【請求項１１】
機能素子が、原模型に形成されており、前記原模型から原型に成形されることを特徴とする、上記請求項記載の原型法。
【請求項１２】
機能素子が、自由成形面であることを特徴とする、上記請求項記載の原型法。
【請求項１３】
機能素子が、少なくとも１つの特性寸法を有し、前記特性寸法が長さ５００マイクロメートル以下であることを特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の原型法。
【請求項１４】
特性寸法が、３００マイクロメートル以下であることを特徴とする、上記請求項記載の原型法。
【請求項１５】
特性寸法が、１００マイクロメートル以下であることを特徴とする、上記請求項記載の原型法。
【請求項１６】
特性寸法が、１０マイクロメートル以下であることを特徴とする、上記請求項記載の原型法。
【請求項１７】
多数の機能素子が、部品に成形されることを特徴とする、上記請求項のいずれか一項記載の原型法。
【請求項１８】
規則的に部品の表面に配設される機能素子から、少なくとも１つの機能領域が成形されることを特徴とする、上記請求項記載の原型法。
【請求項１９】
機能領域が生体模倣的な表面構造を有することを特徴とする、上記請求項記載の原型法。
【請求項２０】
意識的かつ意図的に、１つの機能を満たすために、一定の形状に部品表面の一定の場所に、レリーフ状に成形されており、少なくとも１つの空間方向にマイクロメートル領域の特性寸法を有する、少なくとも１つの微細構造機能素子を有する部品のための成形金型において、部品が、本質的に、金属材料から成形金型を利用して成形可能である成形金型であって、
成形金型の表面が、少なくとも１つの機能素子に対して１つのネガを有し、前記ネガを利用して機能素子が成形可能であることを特徴とする成形金型。
【請求項２１】
成形金型が消失セラミック型であることを特徴とする、上記請求項記載の成形金型。
【請求項２２】
成形金型が、機能素子のネガを有するコアを含むことを特徴とする、請求項２０または２１記載の成形金型。
【請求項２３】
意識的かつ意図的に、１つの機能を満たすために、一定の形状に部品表面の一定の場所に、レリーフ状に成形されており、少なくとも１つの空間方向にマイクロメートル領域の特性寸法を有する、少なくとも１つの微細構造機能素子を有する部品のためのコアにおいて、部品が、本質的に、金属材料からコアを含む成形金型のキャビティの中に成形可能であるコアであって、
コアが、少なくとも１つの機能素子に対して１つのネガを有し、前記ネガを利用して機能素子が成形可能であることを特徴とするコア。
【請求項２４】
意識的かつ意図的に、１つの機能を満たすために、一定の形状に部品表面の一定の場所に、レリーフ状に成形されており、少なくとも１つの空間方向にマイクロメートル領域の特性寸法を有する、少なくとも１つの微細構造機能素子を有する部品のためのコアボックスにおいて、部品が、本質的に、金属材料から、コアボックスの中に成形可能であるコアを含む成形金型のキャビティの中に成形可能であるコアボックスであって、
コアボックスが、前記コアボックスからコアへ、かつ前記コアから部品へ成形可能である、少なくとも１つの機能素子を有することを特徴とするコアボックス。
【請求項２５】
意識的かつ意図的に、１つの機能を満たすために、一定の形状に部品表面の一定の場所に、レリーフ状に成形されており、少なくとも１つの空間方向にマイクロメートル領域の特性寸法を有する、少なくとも１つの微細構造機能素子を有する部品のための模型において、模型から原型法で成形金型が成形可能であり、かつ部品が本質的に金属材料から成形金型のキャビティの中に成形可能である模型であって、
模型が、前記模型から成形金型へ、かつ前記成形金型から部品へ成形可能である少なくとも１つの機能素子を有することを特徴とする模型。
【請求項２６】
意識的かつ意図的に、１つの機能を満たすために、一定の形状に部品表面の一定の場所に、レリーフ状に成形されており、少なくとも１つの空間方向にマイクロメートル領域の特性寸法を有する、少なくとも１つの微細構造機能素子を有する部品のための原型において、各原型法で原型から１つの模型が、前記模型から１つの成形金型が成形可能であり、かつ部品が、本質的に、金属材料から成形金型のキャビティの中に成形可能である原型であって、
原型が、前記原型から模型へ、前記模型から成形金型へ、かつ前記成形金型から部品へ成形可能である、少なくとも１つの機能素子のネガを有することを特徴とする原型。
【請求項２７】
原型がエラストマから製造されることを特徴とする、上記請求項記載の原型。
【請求項２８】
意識的かつ意図的に、１つの機能を満たすために、一定の形状に部品表面の一定の場所に、レリーフ状に成形されており、少なくとも１つの空間方向にマイクロメートル領域の特性寸法を有する、少なくとも１つの微細構造機能素子を有する部品のための原模型において、各原型法で原模型から１つの原型が、前記原型から１つの模型が、前記模型から１つの成形金型が成形可能であり、かつ部品は、本質的に、金属材料から成形金型のキャビティの中に成形可能である原模型であって、
原模型が、前記原模型から原型へ、前記原型から模型へ、前記模型から成形金型へ、かつ前記成形金型から部品へ成形可能である、少なくとも１つの機能素子を有することを特徴とする原模型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、意識的に一定の形状に、かつ意図的に１つの機能を満たすために、部品表面の一定の場所に、レリーフ状に成形されており、少なくとも１つの空間方向にマイクロメートル領域の特性寸法を有する、少なくとも１つの微細構造機能素子を有する部品のための原型法において、部品が、本質的に、金属材料から成形金型を利用して成形される原型法に関する。純粋に顕微的機能を有する部品に比べて、前記のような部品は、付加的に、レリーフ状に微細構造化されると共に機能化された表面を有する。
【背景技術】
【０００２】
成形法は、本質的に、質量変化無しに部品の三次元形状を形作る。既知の原型法は、‐液状またはプラスチック状あるいは粒状または粉末状の凝集状態（ＤＩＮ８５８０による分類）から‐三次元の形状を初めて作る方法と、‐圧縮‐、引張圧縮‐、引張‐、曲げ‐またはせん断応力（ＤＩＮ８５５０による分類）によって‐固体の凝集状態に有る三次元の形状を変化する変形方法である。
【０００３】
成形金型は、この関連性において、金型を利用して部品の三次元形状が付与される金型である。材料は、その各凝集状態で、成形法の枠内で成形金型‐たとえば鋳造法における成形キャビティ‐の表面に堆積する。成形金型の表面に形成される機能素子のネガは、このように部品の当接表面で直接機能素子に成形される。成形金型を使用して部品の三次元形状を、本質的に、金属材料から形作る多数の公知の原型法から、ここでは特に、鋳造法、焼結法および液相焼結法を挙げることにする。
【０００４】
微細構造は、少なくとも１つの空間方向にマイクロメートル領域の特性寸法‐つまり本質的に明らかに１ｍｍ以下‐を有するレリーフ状の表面形状である。たとえば、このような特性寸法は、表面よりも掘り下げたエッジ部の深さ、または表面上に載置するリブの幅である。
【０００５】
微細構造は多くの観点で有利であることが証明されている。微細構造化された表面は、たとえばトライボロジーの適用において、空気‐または流体力学の観点のもとに、特殊な光学的性質のために、液体による湿潤性もしくは非湿潤性の制御のために、および有機植物の育成または妨害のために使用される。
【０００６】
機能素子は、一定の形状によって一定の機能を満たすべき素子である。部品のランダムな形状によってあるいはランダムな位置で、一定の機能を満たす素子は、特に、機能素子とは見なされない。
【０００７】
それに応じて微細構造機能素子は、意識的かつ意図的に、１つの機能を満たすために、一定の形状で部品表面の一定の場所に配置される前記機能のために、マイクロメートル領域の特性寸法を有する素子である。
【０００８】
微細構造機能素子の規則的または準規則的な配列は微細構造化された表面組織と見なされ、微細構造機能素子を有する表面の限定された部分が機能領域または（さらに小さい機能素子から構成される）機能素子と見なされる。
【０００９】
部品の表面は機能素子を有する領域でそのレリーフ構造によって機能化され、またはその機能で最適化される。たとえばタービン羽根の表面での流れ誘導は微細構造化された表面組織によって著しく改善することができる。
【００１０】
材料とその微細構造ならびに顕微的形状と並んで表面が部品の性質を決定する。欠点のない平滑な表面は、一方で技術的完成度の表現と見なされ、他方では、たとえばいわゆる「ロートス効果」（“Ｌｏｔｏｓ‐Ｅｆｆｅｋｔ”）で表面のわずかな構造が汚れ防止および撥水機能を付与し、眼鏡ガラスは付加的に表面に塗布された被膜によって反射防止に加工することができる。また部品表面の光の反射、流れ抵抗、熱伝達および摩擦の諸機能は、顕微的表面構造によって適切に制御することができる。
【００１１】
プラスチック上の−少なくとも平滑な表面上の−拡大した微細構造化された表面の製造は広範囲に公知であるとみなされる：マイクロメートル領域の表面構造は標準気圧下に比較的簡単にソフトリソグラフィーの方法によって成形かつ複製される。ソフトリソグラフィーに使用されるＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）製のスタンプは、ここで１００ナノメートル以下の特性寸法を有する構造を模写する（Ｈ  Ｓｃｈｍｉｄ、Ｂ  Ｍｉｃｈｅｌ、Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ  ３３、２０００、３０４２頁）。さらにプラスチックの分野では光学的データ媒体が微細構造化された表面を有する製品の好例である：射出成形法により大量生産で製造されるＣＤ−ＲＯＭディスクは、サイズが１マイクロメートル未満の構造を有し、さらにＤＶＤの場合で５００ナノメートル未満の構造を有する。また多数のその他の表面構造、特にポリマー上の「サメ肌」のような生物模倣的構造の製造もすでに公知である。
【００１２】
またセラミック材料上にマイクロメートル領域の表面構造も、たとえば構造化されたＰＤＭＳスタンプでスリップキャスティング方式の例で示されているように、清浄に模写される（Ｕ  Ｐ  Ｓｃｈｏｎｈｏｌｚｅｒら、“Ｍｉｃｒｏｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  ｂｙ  Ｃａｓｔｉｎｇ  ｉｎｔｏ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｍｏｕｌｄｓ”Ｊ．  Ａｍｅｒ．  Ｃｒｅａｍ．  Ｓｏｃ．  ８５  ７、２００２、１８８５頁）。またシリコーンディスクの溶融表面の中への電子線リソグラフィーによって型押しされる石英ガラスディスクの押し込みによってサイズが１０ナノメートルのみを有する構造の製造も公知である（Ｓ  Ｙ  Ｃｈｏｕ、Ｃｈ  Ｋｅｉｍｅｌ、Ｊｉａｎ  Ｇｕ“Ｕｌｔｒａｆａｓｔ  ａｎｄ  ｄｉｒｅｃｔ  ｉｍｐｒｉｎｔ  ｏｆ  ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ”Ｎａｔｕｒｅ  ４１７、２００２、８３５頁）。
【００１３】
また金属部品上に蒸着されるナノメートル領域の粗さを有するが、幾何学的に規定されない構造を有する被膜も公知である。他方、金属表面の機能は、顕微的寸法で意図的に、幾何学的に規定された構造化による狭い範囲内での化学的エッチング、微細切削加工によって、あるいはレーザー構造化によって制御することができる。電子線リソグラフィーを利用して金属部品表面の小さい平面部分上にナノメートル領域で幾何学的に規定された構造を作ることができる。
【００１４】
ＦＤＡは詳細に表面の微細構造用の整形法のインプラントの改質金属表面の認可に必要な指示事項を規定している：被膜の厚さ、孔径、孔と孔の体積割合との間の材料の形状および寸法は、費用のかかる試験系列で、その統計的平均値や限度値ならびに標準偏差によって算出されなければならない（Ｕ．Ｓ．Ｆｏｏｄ  ａｎｄ  Ｄｒｕｇ  Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ：  Ｇｕｉｄａｎｃｅ  Ｄｏｃｕｍｅｎｔ  Ｆｏｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃ  Ｉｍｐｌａｎｔｓ  Ｗｉｔｈ  Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ  Ａｐｐｏｓｉｎｇ  Ｂｏｎｅ  ｏｒ  Ｂｏｎｅ  Ｃｅｍｅｎｔ、２０００年２月、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｆｄａ．ｇｏｖ／ｃｄｒｈ／ｏｄｅ／８２７．ｈｔｍｌ）。
【００１５】
原型法で製造される金属部品上の金属微細構造機能素子の製造は、微細構造化された表面を有するプラスチック部品に比べ、前記機能素子がより少ない摩擦とより高い硬度とを有し、特に規則的に、より高い温度で使用可能であるために、はるかに興味深い。しかし表面構造を改質する公知の方法は、一方でその複雑さのために、他方では性質の統計的分布によって必要になる試験および記録要求に基づき特殊費用が少ない場合にのみ経済的に有意義に使用可能である。
【００１６】
ドイツ特許第１０１５４７５６号明細書は、成形金型の使用下に、その表面内の陽極酸化によって直接的および堆積なしに‐つまり静的に分布して‐顕微的空洞が形成される原型法を開示する。ヨーロッパ特許出願公開第０８３８２８６号明細書は、ろう模型の使用下で、その表面上に溶融されるろうが微細に分布して噴射され、それによって‐再び統計的に分布して‐微孔の表面構造が形成されるろう原型鋳造法を開示する。ドイツ特許出願公開第３８３１１２９号明細書は、感熱性の模型、たとえば繊維、プラスチック、木材または皮革を基材とする鋳型の製造方法において、模型の表面構造が鋳型に模写される方法を開示する。前記文献記載の各方法は、統計的に分布した表面構造を作るが、意図的に１つの機能を満たすために、部品表面の一定の場所に、一定のレリーフ状の微細構造機能素子を作らない。
【００１７】
本発明の広い周辺領域で米国特許第６，５１１，６２２号明細書からろう模型を製造するために粒子で「充填された」ろうの使用は、ろう模型の表面内での顕微的欠陥の形成を低減するために再びろう原型鋳造法の場合で公知である。ドイツ特許出願公開第４３０７  ８６９号明細書は、ろう原型技術、マイクロメカニクス、‐オプティクスおよび‐エレクトロニクスで使用されるように、顕微的物体を製造するための原型法を開示するが、‐顕微的‐部品上の微細構造機能素子の形成は開示していない。
【特許文献１】ドイツ特許  第１０１５４７５６号
【特許文献２】ヨーロッパ特許出願公開  第０８３８２８６号
【特許文献３】ドイツ特許出願公開  第３８３１１２９号
【特許文献４】米国特許  第６５１１６２２号
【特許文献５】ドイツ特許出願公開  第４３０７８６９号
【非特許文献１】Ｈ  Ｓｃｈｍｉｄ、Ｂ  Ｍｉｃｈｅｌ、Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ  ３３、２０００、３０４２頁
【非特許文献２】Ｕ．Ｐ．Ｓｃｈｏｎｈｏｌｚｅｒら、“Ｍｉｃｒｏｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  ｂｙ  Ｃａｓｔｉｎｇ  ｉｎｔｏ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｍｏｕｌｄｓ”Ｊ．Ａｍｅｒ．Ｃｒｅａｍ．Ｓｏｃ．８５  ７、２００２、１８８５頁
【非特許文献３】Ｓ．Ｙ．Ｃｈｏｕ、Ｃｈ．Ｋｅｉｍｅｌ、Ｊｉａｎ  Ｇｕ“Ｕｌｔｒａｆａｓｔ  ａｎｄ  ｄｉｒｅｃｔ  ｉｍｐｒｉｎｔ  ｏｆ  ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ”Ｎａｔｕｒｅ  ４１７、２００２、８３５頁
【非特許文献４】Ｕ．Ｓ．Ｆｏｏｄ  ａｎｄ  Ｄｒｕｇ  Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ：  Ｇｕｉｄａｎｃｅ  Ｄｏｃｕｍｅｎｔ  Ｆｏｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃ  Ｉｍｐｌａｎｔｓ  Ｗｉｔｈ  Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ  Ａｐｐｏｓｉｎｇ  Ｂｏｎｅ  ｏｒ  Ｂｏｎｅ  Ｃｅｍｅｎｔ、２０００年２月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の課題は、本質的に金属部品上の微細構造化された表面を製造するための方式、金型および補助手段、原型法を開拓し、これを特に大量生産および広域の使用を視野に入れて簡素化し、加速し、かつコスト的に有利に形成することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
この課題は公知の原型法から出発して本発明に基き、少なくとも１つの機能素子が成形金型の表面に形成される前記機能素子自体のネガで成形されることによって解決される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る原型法は同時に部品の顕微的三次元形状の形成によって前記部品の表面上の微細構造機能素子の製造を可能にする。それによって、それに続く表面加工による公知の原型法に比べ、微細構造機能素子を有する部品の製造時に作業工程が省かれる。
【００２１】
金属部品上のマイクロメートル領域の表面構造の公知の製造方法に比べて、本発明による原型法は、一方ではコスト面において、非常に有利に実行される。他方では前記原型法が初めて大型のおよび／または湾曲した微細構造を備える平面の経済的な製造も可能にする。
【００２２】
前記形式のように規定される構造化された金属表面を有する部品は、プラスチック表面よりも高い表面硬度と、それによってより高い機械的負荷性と、より少ない摩耗およびより長い寿命と、より高い使用可能温度と、改善された導電性および伝熱性とを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明に係る原型法は、部品が成形金型のキャビティ内の液体金属の固化によって成形される場合、特に有利に使用可能である。このような液相からの原型法は、１つの作業工程で数ミリメートルおよび数メートルの間の部品寸法を有する、ほぼ任意の、複雑な部品の製造を可能にする。ここで本発明に係る原型法において、同じ作業工程で部品表面に微細構造領域の細部を作ることができる。
【００２４】
好ましくはこのような液相からの本発明に係る原型法の実施のために、液体金属が成形金型内へ注入されることによって取り込まれる。択一的に金属は、焼結‐または液相焼結法でも粒状または粉末状の固形状態でも成形金型内に取り込まれ、加熱によって成形金型内で液状化され得る。チキソフォーミング法の枠内で、金属をチキソトロープの、つまり塑性変形可能の状態で成形金型内に取り込むことができる。
【００２５】
「本質的に金属材料」のもとには、金属マトリックスや、たとえばセラミック‐つまり無機の非金属‐の粒子またはケイ酸塩、炭化物、窒化物からなる繊維たとえば炭化タングステンのような硬質物質を有する複合材料も含まれる。
【００２６】
成形金型のキャビティは、本発明に係る原型法の枠内で、液相から成形金型の充填前に、たとえば物理的蒸着法（ＰＶＤ）、化学的蒸着法（ＣＶＤ）、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）のような慣用の方法によって薄い金属層を付けることが可能で、数原子層から数マイクロメートル程度の層厚に達することができる。この方法によって、金属溶融物によるキャビティの表面内での非常に微細な構造の好適な湿潤も保証される。特に成形金型は同一の金属材料で被覆することができ、それに続き部品が成形金型の中に流し込まれる。
【００２７】
本発明に係る原型法の枠内で特に成形金型を１つの模型の原型法で１つの模型から成形することができる。この形式の本発明に係る原型法は特に、いわゆるろう型‐および砂型鋳造のような「消失型」による方法を含む。ろう原型鋳造法は金属部品における細線加工構造を製造するための慣用の方法である。金属製の重力鋳造型‐いわゆる「鋳型」は、本発明に係る原型法の枠内で、たとえばキャビティ沈降によって、または本発明に係るろう原型鋳造法によっても製造することができる。この種の本発明に係る鋳造法は特に同一の模型の多重使用によって微細構造機能素子を有する部品の経済的な量産を可能にする。
【００２８】
構造化された模型または構造化された型への気相からの薄い金属‐またはセラミック層の取り込みが最微細構造の模写のための目的に好適であることが証明されている。この場合、たとえば金属が低温で模型に沈殿する有機金属ＣＶＤ法が使用される。択一的に、被膜用の材料はレーザー照射によっても固体から蒸着することができる（スパッタリング）。
【００２９】
択一的に本発明に係る原型法の枠内で重力鋳造金型は素子から構成することが可能で、あるいは切削または浸食法によって製造できる。特殊な適用事例‐たとえばラピッド−プロトタイピングの枠内で‐塗布または層ごとに構成される方法による成形金型の製造も可能である。
【００３０】
本発明に係る原型法の枠内で、好ましくは機能素子が模型に形成され、前記模型から成形金型に成形される。同一の模型の多重使用において、機能素子のネガの製造に関してもシリーズで製造される成形金型で原型法が簡素化され、原型法の経済性が向上する。
【００３１】
択一的に機能素子は成形金型の表面内で本発明に係る原型法の枠内で別々に実施される成形ステップによって、たとえば型押し、微切削または‐浸食加工あるいは前製造される規格部品の塗布または組立てによっても取り込むことができる。
【００３２】
本発明に係るろう原型鋳造法用のセラミック型シェルで、機能素子のネガを、前記浸漬法で製造されるセラミックの表面または後から塗布される面削りの表面のいずれかに、取り込むことができる。
【００３３】
本発明に係る原型法の枠内で、模型は成形される成形金型から溶出、蒸発、溶解またはその他の方法で除去することができる。この形式の一回だけ使用される、いわゆる「消失模型」による本発明に係る原型法は、特に、再び、ろう原型鋳造法を含む。この場合、たとえば、ろうまたはプラスチック模型が繰り返しセラミック面削りの中に浸漬され、この様にセラミック型シェルが層ごとに構成される。それに続き完成した成形金型から模型が溶出または焼尽される。「消失型」（“ｌｏｓｔ  ｆｏａｍ”）砂型鋳造において砂型は、液体金属材料の流し込み時に完成した成形金型の中に蒸発する発泡材模型で構成される。
【００３４】
本発明に係る原型法の枠内において、特に前記模型は、１つの原型法で１つの原型から成形することが出来る。たとえば、本発明に係るろう原型鋳造法のためのろう模型は、１つの金属製の原型から成形することができる。このように本発明に係る「消失模型」による原型法においても微細構造機能素子を有する部品の経済的な量産が可能である。
【００３５】
択一的にこの模型は本発明に係る原型法の枠内で素子からも構成し、あるいは切除または浸食法によって製造することができる。特殊の適用事例−再びたとえばラピッド‐プロトタイピングの枠内‐において塗布または層ごとに構成する方法による模型の製造も可能である。
【００３６】
本発明に係る原型法の枠内において、好ましくは機能素子のネガが原型に形成されており、この原型から模型に成形される。同一の原型の多重使用時に機能素子の製造に関しても量産により製造される模型で原型法が簡素化され、原型法の経済性が向上する。
【００３７】
択一的に機能素子は模型の表面で、本発明に係る原型法の枠内において、別々に実施される原型工程によって、たとえば型押しによって、微切削または‐浸食加工によって、あるいは前製造される規格部品の塗布または組立てによって取り込むことができる。
【００３８】
本発明に係る原型法の枠内において、特に原型は原型法で１つの原模型から成形することができる。例えば、本発明に係るろう原型鋳造法用の原型はラピッド‐プロトタイピングにより、例えば、ステレオリソグラフィー法で作成される原模型から成形することができる。この様に、量産開始までの期間は特に数値的に最適化された微細構造機能素子を有する部品によって「消失模型」による本発明に係る原型法でも顕著に短縮可能である。
【００３９】
択一的に再び原型は本発明に係る原型法の枠内において素子からも構成し、あるいは切除または浸食法によって製造することができる。塗布または層ごとに構成される方法による原型の製造も原理的に可能である。
【００４０】
本発明に係る原型法の枠内において、好ましくは機能素子が原模型に形成されており、この原模型から原型に成形される。同一の原模型の多重使用において、機能素子のネガの製造に関しても量産によって製造される原型で原型法が簡素化され、原型法の経済性が向上する。
【００４１】
択一的に再び機能素子のネガを原型の表面に本発明に係る原型法の枠内において別々に実施される原型工程によっても、たとえば型押しによって、微切削または‐浸食加工によって、あるいは前製造される規格部品の塗布または組立てによって取り付けることもできる。
【００４２】
本発明に係る原型法の枠内において、機能素子として特に部品の表面から隆起する自由成形面が形成される。自由成形面は、たとえばサメの鱗屑の形状を模擬することができ、それによってこの種の多数の部品の表面の機能素子が特に流れに有利な性質を付与する。
【００４３】
機能素子は、好ましくは長さ５００マイクロメートル以下、特に３００マイクロメートル以下を有する特性寸法を有する。特に好ましくは長さが１００マイクロメートル以下もしくは１０マイクロメートル以下である。実験はサブマイクロメートル領域、さらに１００ナノメートル以下の構造も模写できることを示している。
【００４４】
機能素子の特性寸法は部品の表面の平面内におくことができる。たとえば機能素子は部品の表面への幅５００マイクロメートルおよび深さ１０ミリメートルの切り込みとすることができる。特性寸法は部品の表面に対して垂直におくこともできる。たとえば機能素子は５０マイクロメートルだけ部品の表面から突出する円錐体とすることができる。特に微細構造化された表面組織において（数学的に平均化された）平面を表面として、かつ個々の隣接する機能素子の間隔またはレリーフの被覆部の局所的間隔を特性寸法と見なすことができる。
【００４５】
特に機能素子は段差体にしてよく、特性寸法が部品の表面に対する段差体の高さである。この段差体‐つまり本質的に部品の表面からの線状の隆起‐は、ナノ領域での機能素子の擬似的な基本形状である。一次元の、つまり実質的に点状の隆起は現実に製造できない。
【００４６】
さらに好ましくは、本発明に係る原型法の枠内において多数の機能素子が部品に成形される。基本機能素子は、たとえば−必要な場合ＵＶ領域で‐光学的に作用するフレネルレンズの形に配置することができ、あるいは文字列またはロゴの輪郭も製造者証明として表示することができる。微細構造領域での機能素子の組合せによって表面‐必要な場合は方向依存性‐の材料硬化をトライボロジーまたは流体力学的効果を同様に達成することができる。
【００４７】
さらに本発明に係る原型法の枠内において、好ましくは規則的に部品の表面に配設される機能素子から表面組織の機能領域が成形される。部品の表面に配設される機能素子は度合をつけて規則的に、つまり少なくとも１つの特性寸法、表面に対する高さ、相互の位置または隣接する機能素子の間隔が部品の表面を介して変化されるように類似に形成することができる。
【００４８】
特に好ましくは本発明に係る原型法の枠内において、機能領域は生体模倣的な表面構造を有する。この性質から、表面効果の原因が微細構造領域にある多数の表面効果が公知である。たとえばサメ肌、砂魚（Ｓａｎｄｆｉｓｃｈ）、ハスの葉および園芸用クレソンを挙げておくことにする。
【００４９】
さらに、この課題は本発明により微細構造機能素子を有する部品のための成形金型によって解決され、部品は本質的に金属材料から成形金型を利用して成形可能であり、かつ成形金型の表面は機能素子が成形可能である機能素子のネガを有する。このような本発明に係る成形金型を利用して上記原型法を実施可能である。
【００５０】
特に、本発明に係る成形金型は、消失セラミック型とすることができる。特に本発明に係る成形金型は、機能素子のネガを有するコアを含むことができる。このような本発明に係る成形金型を利用して、微細構造機能素子は部品の中空内にも成形することができる。本発明に係るコアに機能素子のネガを、再び、コア自体の表面の中あるいは後から塗布される面削りの表面の中のいずれかに取り込むこともできる。
【００５１】
この課題は本発明により微細構造機能素子を有する部品用のコアによっても解決され、部品は本質的に金属材料からコアを含む成形金型のキャビティの中に成形可能であり、前記コアはコアから部品上へ成形可能である機能素子のネガを有する。このような本発明に係るコアを利用して上記の原型法を実施可能である。
【００５２】
さらに、この課題は本発明により微細構造機能素子を有する部品用のコアボックスによって解決され、部品が本質的に金属材料からコアボックスの中で成形可能であるコアを含む成形金型のキャビティの中に成形可能であり、コアボックスは、前記コアボックスからコアへ、かつ前記コアから部品へ成形可能である機能素子を有する。このような本発明に係るコアを利用して、同時に上記の原型法を実施可能である。
【００５３】
この課題は本発明により、同様に、微細構造機能素子を有する部品用の模型によって解決され、前記模型から原型法で成形金型が成形可能であり、かつ部品が本質的に金属材料から成形金型のキャビティの中に成形可能であり、模型は、前記模型から成形金型へ、かつ前記成形金型から部品へ成形可能である機能素子を有する。このような本発明に係る模型を利用して、上記の原型法を実施可能である。
【００５４】
さらに、この課題は、同様に、本発明により微細構造機能素子を有する部品用の原型によって解決され、それぞれ原型法で原型から１つの模型を、かつ前記模型から成形金型を成形可能であり、かつ部品が本質的に金属材料から成形金型のキャビティの中に成形可能であり、かつ原型は、前記原型から模型へ、前記模型から成形金型へ、かつ成形金型から部品へ成形可能である機能素子のネガを有する。このような本発明に係る原型を利用して上記原型法を実施可能である。
【００５５】
特に、このような本発明に係る原型は、エラストマから製造することができる。たとえば、原型はＰＤＭＳで原模型から成形することができる。
【００５６】
この課題は、本発明により、微細構造機能素子を有する部品用の原模型によって解決され、それぞれ原型法で原模型から１つの原型が、前記原型から１つの模型を、かつ前記模型から１つの成形金型が成形可能であり、部品は本質的に金属材料から成形金型のキャビティの中に成形可能であり、原模型は機能素子を有し、かつ機能素子は原模型から原型へ、前記原型から模型へ、前記模型から成形金型へ、かつ成形金型から部品へ成形可能である。またこのような本発明に係る原型を利用して上記原型法を実施可能である。
【実施例】
【００５７】
波形状の表面構造を有する配向硬化されたニッケル基超合金ＳＣ１６からなるタービン羽根を製造するために、金属製のタービン羽根模型が原模型として波形状の表面構造を有する市場に慣例のガラス装飾フィルムで接着され、かつＰＤＭＳで成形される。ガラス装飾フィルムは１２０マイクロメートルの厚さを有する。このように達成される原型において、ろう模型と共に浸漬と供砂とによってセラミック型シェルが成形金型として製造される。タービン羽根は一般的に公知のブリッジマンろう原型鋳造法で流し込まれる。
【００５８】
会社ロゴの可視的な写像により、アルミニウム合金から鋳造部品を製造するために、前記鋳造部品はレーザープリンタを利用してフィルムに印刷される。フィルム上に取り込まれるトナーの横方向の構造サイズは、約２００マイクロメートルであり、トナー層の厚さは約１０マイクロメートルである。フィルムは、ろう模型用の重力鋳造金型の中で接着される。重力鋳造金型で、ろう模型がフルモールド法（Ｓｈａｗ法）で製造される。アルミニウム鋳造部品は、一般的に、公知の差圧鋳造法で流し込まれる。
【００５９】
最微細構造を有する供試体を製造するために、原模型として一般的に公知の電子線リソグラフィー法により、原模型として石英小板が製造される。前記石英小板は４マイクロメートルの間隔で幅が同様に４マイクロメートルおよび深さ２００ナノメートルを有する線構造を有する。原模型はＰＤＭＳで原型として成形され、原型の中で型シェルを製造できるろう模型が製造される。
【００６０】
簡単に構造化された表面を製造するために、たとえば旧来型のフォトリソグラフィーによって製造され、市販されている原型の使用が可能である。簡単なフォトリソグラフィーにより入手できる長さスケールは、数マイクロメートルの領域の構造にまで達する。より小さい構造のために、たとえば、ナノインプリントリソグラフィーを利用して製造される原型を使用してもよい。この技術によって調製可能の構造は、大きさが約１０ナノメートルのみであり、ほぼ現在のリソグラフィー方式の限界である。
【００６１】
リソグラフィーで製造される表面は、‐特に非常に微細な構造で‐一般的に、平坦な基板上にのみ、かつ平方センチメートルの領域の平面で製造することができる。
【００６２】
より大きい微細構造化された表面は、前記リソグラフィーで製造される原模型、または本発明により前記原模型から複製される模型、または成形金型のモジュール式の組合せによって作られる。３次元的に湾曲した単純な、半シェル体、管体、円筒体、円錐体および直方体のような成形体またはタービン羽根のような複雑な鋳造部品に平面的な微細構造を模写するために、ろう模型またはその製造に使用される原型が変形される。
【００６３】
ろう模型用の原型、いわゆるろうマトリックスを製造する標準方法と異なり、温度１５０℃で高温加硫成形体金型中の圧力下の埋め込みに基づく、離型剤の使用を必要とするろう原型法、装飾鋳造法もしくはプロトタイプ鋳造法において、原型の製造のために原模型は本発明により無圧でエラストマの中に埋め込まれる。ろう模型の成形のために原型はろう模型中での顕微的気泡の形成を阻止するために、ろうを充填する前に排気される。ろうは、優れた型充填と共に優れた模写を達成するために、圧力下で原型の中にプレスされる。
【００６４】
微細構造を有するセラミック成形金型の製造は公知のろう原型鋳造法に基づいて行われる。使用するろう原型スリップおよび／または埋込コンパウンドは模写精度の向上のためにセラミックのナノ粉末の供給によって改質される。ブリッジマン法による金属合金の配向硬化によって連続供給が保証され、粒径分布のない部品の製造が可能になる。
【００６５】
本発明に係る方法により原型金型として表面構造を原型過程で、たとえばロール、型押しロール、ロール組、プレス、型押し金型および深絞り型のような別の部品または半製品に伝達する微細構造を有する部品を製造することもできる。
【００６６】
本発明に係る方法により、さらに以下によって、微細構造機能素子を有する部品を製造することができる。
・  空気力学的応用、たとえば航空機タービンまたは定置型タービン用のタービン羽根、ターボチャージャフィルム、弁、マフラー、吸気管、ノズル、ベンチレータおよび銃弾
・  流体力学的応用、たとえば船舶用ねじ、ノズル、ポンプハウジングおよび−フィルム、輸送用スクリュー、魚雷および小型リアクター
・  医療上の応用、たとえば改善された流れ性質と低減した石灰堆積とを有する心臓弁、インプラントまたは改善された付着性を有する義歯および外科用器具類
・  トライボロジー的応用、たとえば軸受ブロック、シリンダ‐ピストン‐セット、たとえばスケート用のブレード、アイロン、輸送用スクリューおよびブレーキディスク
・  鋳造部品の表面構造の腐食作用の応用、たとえば仕上げおよび切削
・  表面仕様の応用、触媒、熱交換器、冷却体および微細流体部品および微細流体部品
・  湿潤仕様の応用、たとえば自動車および自転車用リム、鋳造技術用の鋳型、フライパン、煮沸用鍋および小型リアクター
・  マイクロメカニクスの応用、例えばグラスファイバー束の個別の糸の精密な位置決め
・  光学的応用、たとえば抗反射表面、反射防止およびレンズ用の成形体
・  薄壁の補強効果
・  審美的性質の応用、たとえば構造化された金属帯および一般の光学的表面デザインのような装飾
【国際調査報告】
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