具有3D结构和所述结构的2D投影的层构造的制作方法

具有3d结构和所述结构的2d投影的层构造
1.本发明涉及层构造，其具有：配备有光学信息的膜层，和具有光滑面和与光滑面相反的结构化面的三维结构化层。结构化面具有至少一个与光滑面不共面并面向预定参考位置的区域，且结构化面具有至少一个与光滑面不共面并背向预定参考位置的区域。三维结构化层由热塑性聚合物形成，该聚合物在4 mm的层厚度下具有根据astm d1003的≥ 10%的视觉清澈度ty（d65/10
°
），并将配备有光学信息的膜层与三维结构化层的结构化面接合。
2.wo 2009/083198 a1描述了三维再现浮雕原型和/或图像原型的方法，其中使用配备有浮雕原型和/或图像原型的图形呈现，特别是经印刷的光滑热塑性膜（作为浮雕基材）和阳性浮雕模具，其中在热塑性变形步骤的过程中，使所述膜与阳性浮雕模具精确贴合地相互重叠并在热影响下热塑性变形。在wo 2009/083198 a1中据称实现了提供用于再现浮雕和/或图像原型的简化方法的解决方案。根据wo 2009/083198 a1，这通过进行下列步骤实现：a) 预先提供热塑性膜，b) 通过它们相对于彼此的位置的位置标记，在该膜的图像侧上或相隔小距离地，精确贴合地布置浮雕模具基材，透过其能够看见该膜，c) 通过施加塑造和形成阳性浮雕模具的浮雕模具材料，与所述图形呈现对应地将浮雕结构施加到浮雕模具基材的背向该膜的图像侧的面上，d) 将阳性浮雕模具引入热处理装置，e) 与来自步骤b)的位置标记对应地，将膜的背向图像的面精确贴合地安置到阳性浮雕模具的结构化顶面上，和f) 进行所述膜的热塑性变形和/或压花。
3.三维浮雕图案可呈现美学上令人舒适的装饰元素。但是迄今的缺点在于，如果设计师想要实现的视觉“深度”越大，则必须加工的材料越多。
4.本发明的目的是提供在降低的总厚度下仍实现包含在层构造中的三维结构的立体深度印象的层构造。借助这样的层构造，可制造美学上吸引人的例如用于车辆内部的装饰元素，而不必加工过多的材料。
5.根据本发明通过如权利要求1中所述的层构造实现该目的。权利要求15的主题是制造方法。在从属权利要求中给出有利的进一步扩展。它们可以任意组合，除非上下文清楚地给出相反的意思。
6.借助根据本发明的层构造，可以在降低的建造厚度和因此节省材料的情况下通过3d结构和所述结构的2d投影的光学相互作用来实现吸引人的显得立体的效果。
7.参考下列附图更详细解释本发明，但不受其限制。其中：图1显示根据本发明的层构造和投影；图2至图5显示根据本发明的进一步的层构造。
8.图1示意性显示根据本发明的层构造，其具有配备有光学信息的膜层100、和具有光滑面210和与光滑面210相反的结构化面220的三维结构化层200。“光学信息”在此可以通过膜100的所选区域中的不同印刷（在这种情况下膜100是经印刷的膜）、着色或表面粗糙性来呈现。膜100也有可能被构想为光导体，并且光学信息通过已经侧向耦合输入到膜100中的光的选择性耦合输出来呈现。
9.对膜100中或膜100上的信息的位置没有限制。该信息因此可呈现在膜100的面向结构化层200的面上、可存在于膜100的背向结构化层200的面上或存在于膜100内。
10.该层构造可被设计为平面或非平面（曲面）的。相应地，光滑面210可以平面或曲面的形式存在。光滑面210优选没有除技术上不可避免的起伏之外的凸起或凹进。
11.结构化面220具有至少一个与光滑面210不共面并面向预定参考位置400的区域230。这样的区域230由结构化面220上的凸起或峰240和/或凹进或谷250形成。参考位置400可以是参考点。其是可被理解为观察者的眼睛或光源（用于产生或模拟结构化面220上的投射阴影）的假想位置。结构化面220还具有至少一个与光滑面210不共面并背向预定参考位置400的区域235。
12.三维结构化层200由热塑性聚合物形成，该聚合物在4 mm的层厚度下具有根据astm d1003的≥ 10%的视觉清澈度ty（d65/10
°
）。3d结构化层200因此可被视为透明或至少部分透明。
13.合适的热塑性聚合物的实例是选自聚碳酸酯、聚酯碳酸酯、聚苯乙烯、聚酰胺、苯乙烯共聚物、芳族聚酯、pet
‑
环己烷二甲醇共聚物（petg）、聚萘二甲酸乙二醇酯（pen）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（pbt）、聚
‑
或共聚丙烯酸酯和聚
‑
或共聚甲基丙烯酸酯以及与苯乙烯的共聚物的成员。
14.术语聚碳酸酯在此也包括共聚碳酸酯。在苯乙烯共聚物的情况下，优选的是丙烯腈
‑
苯乙烯
‑
丙烯酸酯共聚物（asa），在芳族聚酯的情况下，优选的例如是聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet），在聚
‑
或共聚甲基丙烯酸酯的情况下，优选的是聚
‑
或共聚甲基丙烯酸甲酯，特别是聚甲基丙烯酸甲酯（pmma），并且在与苯乙烯的共聚物的情况下，优选的是透明聚苯乙烯
‑
丙烯腈（psan）。
15.当然，热塑性聚合物可包含添加剂，如着色剂、稳定剂、抗冲改性剂等。视觉清澈度ty优选为≥ 20%至≤ 99%，更优选≥ 50%至≤ 92%。
16.将配备有光学信息的膜层100与三维结构化层200的结构化面220接合。这可例如在膜
‑
后注塑法中实现。优选的是，膜100依循结构化面220的轮廓。这种情况也显示在图1中。
17.在根据本发明的层构造中设置，配备有光学信息的膜层100的光学信息代表三维结构化层200的二维投影500的至少一个部分。优选地，膜层100配备有3d结构化层200的完整投影。为清楚起见，投影500在图1中描绘在该层构造的上方。在呈现整个投影的投影500中，可区分投影510、520和530，它们彼此的边界由结构化面220的凸起240和凹进250界定。投影500因此包含至少投影520和530。
18.所述至少一个面向参考位置400的区域230的投影520在配备有光学信息的膜层100上的呈现方式不同于所述至少一个背向参考位置400的区域235的投影530的呈现方式。通过面向或背向参考位置400，可例如界定这些区域的照亮效应或阴影效应。这可与山脉（三维结构）在地图（二维结构）中的呈现相当。选择用于光源的参考位置，并且在此基础上，背向光源的山坡以较暗或阴影的形式呈现。由此在地图上获得山脉的三维印象。
19.可通过使用射线追踪法将结构化层200的三维cad模型转化成二维图像来获得投影500。
20.在投影500中，结构化面220的水平区段有可能未着色或通过光学信息以其它方式呈现。这也通过投影510呈现在图1中。通过舍弃其着色，其它投影520和530的光学印象增强。
21.在同样显示在图1中的一个实施方案中，投影500是无偏移的正交投影。膜100与投影一起此时与结构化面220叠合。
22.在同样显示在图1中的另一实施方案中，参考位置400面向三维结构化层200的光滑面210。根据本发明的层构造可用作装饰面（blende）或装饰件。优选地，光滑面210此时是面向观察者的面，因此参考点400是观察者的可能位置。
23.在同样显示在图1中的另一实施方案中，将参考位置400布置在该层构造的垂直边界外。
24.图2显示图1中描绘的层构造，其中没有投影500，并且为了更好的概览，没有配备有光学信息的膜层100，而是具有附加几何描述符h、n1、n2和α。在另一实施方案中，三维结构化层200的结构化面220中的峰240和相邻谷250之间的最大垂直距离为≤ 2 mm。距离h优选为≥ 0.1 mm至≤ 1.5 mm，更优选≥ 0.2 mm至≤ 0.9 mm。无论如何可以选择高度h，以使与其相关的峰240突出超过结构化面220的水平面。这举例描绘在图3中。在图3中，为了更好的概览，同样没有呈现配备有光学信息的膜层100。
25.距离h的这些限制值具有的优点在于，该三维结构如此平坦，以使得在制造该层构造的过程中不必将膜预成形，而是可作为二维膜插入注塑模具（用于膜
‑
后注塑）。
26.距离h的这些限制值的另一优点在于，可改进光滑面210的光学品质。如果结构化面220中的高度差越小，即h越小，则在整体上观察而言，垂直于光滑面210的热塑性聚合物的质量波动也越小。这此时导致该热塑性塑料的冷却行为更均一。由此避免由热塑性塑料的不均匀冷却而造成的光学缺陷。通过与膜100的组合，仍在该层构造中获得吸引人的立体视觉印象。
27.在同样显示在图2中的另一实施方案中，面向参考位置400的区域230的面法线n1和背向参考位置400的相邻区域235的面法线n2以≥ 5
°
至≤ 175
°
的角度 α相交。由此可以量化区域230、235的斜度。角α优选为≥ 20
°
至≤ 70
°
，更优选≥ 30
°
至≤ 60
°
。
28.在另一实施方案中，借助激光结构化、喷墨印刷、激光印刷、数字印刷或丝网印刷使膜层100配备有光学信息。优选的是印刷法，如丝网印刷，以使膜层100是经印刷的膜层，经印刷的膜层100印刷有三维结构化层200的二维投影500的至少一个部分，并且所述至少一个面向参考位置400的区域230的投影520在经印刷的膜层100上的呈现方式不同于所述至少一个背向参考位置400的区域235的投影530的呈现方式。
29.在可参考图1的另一实施方案中，所述至少一个面向参考位置400的区域230的投影520在配备有光学信息的膜层100上具有比所述至少一个背向参考位置400的区域235的投影530低的色调值。术语色调值是指在数字数据集中、在透明载体（膜）上或在俯视图上以摄影或印刷的形式的彩色图像或黑白图像中的明暗之间的不同等级。所述术语在图像元素（点）的情况下描述在预定的颜色等级谱或灰度等级谱内以0至100%示出的颜色值或灰度值。100%在此是指成像介质的最大暗度或颜色覆盖度（最大色调）。相应地，0%是指矩阵式打印（rasterdrucken）时膜或空白纸的完全透明。由光密度/反射率的测量来确定色调值，并由这些测量值根据murray
‑
davies公式计算。
30.在打印法中所用的叠加cmyk颜色模型中，灰度值可作为分量k（“色调”，黑色）的百分比例表示。优选地，在配备有光学信息的膜层100上，所述至少一个面向参考位置400的区域230的投影520在cmyk颜色模型中的灰度值低于所述至少一个背向参考位置400的区域
235的投影530。在上述简化的类比方式中，背向光源的“山坡”呈现为比面向光源的“山坡”更暗。
31.在同样可参考图1的另一实施方案中，作为区域230与水平面的斜度的函数来选择所述至少一个面向参考位置400的区域230的投影520的色调值。在上述简化的类比方式中，面向光源的“山坡”根据它们的斜度以不同方式呈现。
32.在同样可参考图1的另一实施方案中，作为区域235的斜度的函数来选择所述至少一个背向参考位置400的区域235的投影530的色调值。在上述简化的类比方式中，背向光源的“山坡”根据它们的斜度以不同方式呈现，特别是更暗。
33.最后提到的两个实施方案中的函数可例如互相独立地为线性函数或对数函数。对数函数有利于反映人类感官知觉的对数特性。
34.在图4和5中描绘的另一实施方案中，在配备有光学信息的膜层100的背向三维结构化层200的结构化面220的面上还存在与该层接合的第一附加层300。附加地或替代性地，在三维结构化层200的光滑面210上还存在与该层接合的第二附加层310。第一附加层300和第二附加层310可互相独立地借助膜、漆、通过气相沉积或通过等离子体涂覆来实现。这样的附加层300、310可保护该层构造以免污损或划伤。
35.在另一实施方案中，用于形成三维结构化层200的热塑性聚合物是聚碳酸酯。该术语也涵盖共聚碳酸酯和聚碳酸酯共混物。根据iso 1133
‑
1:2012
‑
03（300℃，1.2 kg）测定的聚碳酸酯的熔体体积流动速率mvr可为8至20 cm
³
/(10 min)。优选的是基于双酚a的均聚碳酸酯、基于1,1
‑
双(4
‑
羟苯基)
‑
3,3,5
‑
三甲基环己烷的均聚碳酸酯、包含异山梨醇、2,3
‑
二氢
‑
3,3
‑
双(4
‑
羟苯基)
‑2‑
甲基
‑
1h
‑
异吲哚
‑1‑
酮、2,3
‑
二氢
‑
3,3
‑
双(4
‑
羟苯基)
‑2‑
苯基
‑
1h
‑
异吲哚
‑1‑
酮、1,3
‑
二氢
‑
3,3
‑
双(4
‑
羟苯基)
‑1‑
甲基
‑
2h
‑
吲哚
‑2‑
酮、1,3
‑
二氢
‑
3,3
‑
双(4
‑
羟苯基)
‑1‑
苯基
‑
2h
‑
吲哚
‑2‑
酮、1,2
‑
二氢
‑
2,2
‑
双(4
‑
羟苯基)
‑1‑
甲基
‑
3h
‑
吲哚
‑3‑
酮和/或1,2
‑
二氢
‑
2,2
‑
双(4
‑
羟苯基)
‑1‑
苯基
‑
3h
‑
吲哚
‑3‑
酮的共聚碳酸酯、基于单体双酚a和1,1
‑
双(4
‑
羟苯基)
‑
3,3,5
‑
三甲基环己烷的共聚碳酸酯，或至少两种上述聚合物的混合物。聚碳酸酯当然可包含添加剂，如染料、稳定剂、抗冲改性剂等。
36.膜层100优选包含一种或多种热塑性聚合物。上文已提到了实例。在另一实施方案中，配备有光学信息的膜层100包含聚碳酸酯。该术语也涵盖共聚碳酸酯和聚碳酸酯共混物。根据iso 1133
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1:2012
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03（300℃，1.2 kg）测定的聚碳酸酯的熔体体积流动速率mvr可为8至20 cm
³
/(10 min)。优选的是基于双酚a的均聚碳酸酯、基于1,1
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双(4
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羟苯基)
‑
3,3,5
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三甲基环己烷的均聚碳酸酯、包含异山梨醇、2,3
‑
二氢
‑
3,3
‑
双(4
‑
羟苯基)
‑2‑
甲基
‑
1h
‑
异吲哚
‑1‑
酮、2,3
‑
二氢
‑
3,3
‑
双(4
‑
羟苯基)
‑2‑
苯基
‑
1h
‑
异吲哚
‑1‑
酮、1,3
‑
二氢
‑
3,3
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双(4
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羟苯基)
‑1‑
甲基
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2h
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吲哚
‑2‑
酮、1,3
‑
二氢
‑
3,3
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双(4
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羟苯基)
‑1‑
苯基
‑
2h
‑
吲哚
‑2‑
酮、1,2
‑
二氢
‑
2,2
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双(4
‑
羟苯基)
‑1‑
甲基
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3h
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吲哚
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酮和/或1,2
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二氢
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酮的共聚碳酸酯、基于单体双酚a和1,1
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羟苯基)
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3,3,5
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三甲基环己烷的共聚碳酸酯，或至少两种上述聚合物的混合物。聚碳酸酯当然可包含添加剂，如染料、稳定剂、抗冲改性剂等。
37.在另一实施方案中，第一附加层300和/或第二附加层310由双组分漆（2k漆）、由共挤膜或由防刮涂覆的膜组成。优选地，防刮涂覆的膜是配备有包含氧化硅纳米颗粒的涂层的聚碳酸酯膜。
38.在另一实施方案中适用的是：配备有光学信息的膜层100的厚度为≥ 100
ꢀµ
m至≤ 1000
ꢀµ
m（优选≥ 175
ꢀµ
m至≤ 500
ꢀµ
m，更优选≥ 250
ꢀµ
m至≤ 375
ꢀµ
m），和/或三维结构化层200的最大厚度为≥ 1.5 mm至≤ 6 mm（优选≥ 2 mm至≤ 5 mm，更优选≥ 3 mm至≤ 4 mm）。
39.本发明的层构造可用作装饰件或装饰面。优选的应用领域是车辆的外部或内部部件。
40.制造本发明的层构造的方法包括下列步骤：
‑ꢀ
选择三维结构，其中所述结构具有至少一个与水平面具有斜度并面向预定参考位置400的区域230和其中所述结构具有至少一个与水平面具有斜度并背向预定参考位置400的区域235，
‑ꢀ
在膜100上产生光学信息，其代表所选三维结构的二维投影500的至少一个部分，其中所述至少一个面向参考位置400的区域230的投影520在膜100上的呈现方式不同于所述至少一个背向参考位置400的区域235的投影530的呈现方式，
‑ꢀ
由热塑性聚合物产生与所选三维结构对应的三维结构化层200，其中所述聚合物在4 mm的层厚度下具有根据astm d1003的≥ 10%的视觉清澈度ty（d65/10
°
），以使三维结构化层200具有光滑面210和与光滑面210相反的结构化面220；
‑ꢀ
将膜100与三维结构化层200的结构化面220接合。
41.关于本发明的主题提到的实施方案当然也可转用于该方法。膜100上的光学信息因此可优选通过印刷产生，且膜100优选如此与层200接合，以使得该3d结构的投影与结构化面220叠合。