CN1608002A - 在基体中加工三维结构的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于加工基体的装置和方法，其中，在至少一部分的工具平面和/或反作用平面中设置有柔性力吸收构件，以局部地吸收由这些平面所施加的力。该柔性力吸收构件具有类似弹簧的特性，因此适于在工具平面和反作用平面相互压靠时产生弹性变形。

Description

在基体中加工三维结构的装置
技术领域
本发明总的来说涉及一种用于加工基体的装置和方法，例如通过使用可再构造的模子使基体上形成三维结构、纳米结构、全息图或者类似的凹凸衍射图形。
背景技术
存在各种用于切割和形成基体的技术。以不同方法如冲压实现切割。在通常情况下，切割机设置有配合工作的刀刃，这些刀刃用于切割材料。尤其在切割容许公差带较小的精确的几何形状时，因为刀具损坏和磨损，具有切割刀刃的刀具常常需要更新或者修复。这使得该工艺较昂贵。
存在用于形成微观结构/微结构(microstructure)表面的各种铸造技术。典型地，在树脂硬化期间，模子使液态树脂保持在基体上，树脂因此形成微观结构。该模子可以设置一旋转鼓，该鼓具有形成微观结构的三维凹凸图案，或者模子可以设置有平板，该平板具有附着在一侧上的凹凸图案。为了在衍射图案中能产生可见的变形，公差必须较小，并且相应地，用于制造模子的费用较高。在进行多次模制循环后，这些模子必须更换，因为这些模子结合到例如旋转鼓中以大量复制全息图，更换这些模子的费用较高。
在铸造期间，模子相对于基体只进行非常小的移动也会降低铸造质量。因此，用于铸造微观结构的现有系统使用刚性较大的模子和刚性装置来进行铸造加工。刚性可以例如通过减少这些模子的意外振动来控制铸造工艺。
当在液态树脂中铸造结构时，铸造装置和模子的刚性几乎没有负作用，因此铸造机的制造商似乎总是力求提高刚性。
但是，当在非液态材料如直接在钢板或者类似“硬”基体中进行铸造时，该刚性不能使机器消除在基体中产生的公差。例如，金属板常常具有不平的表面。在受到完全刚性机器的完全刚性模子的作用时，可以在结构中通过视觉容易地观测到不平表面的偏差。例如，板的不平度可以复制在不均匀的压印深度中，这就产生了通过视觉可检测到的、来自结构表面的不均匀反射。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种通过切割或者铸造或者压印等工艺在基体如非液态材料或者甚至硬材料中形成结构的技术和装置，并且该技术和装置克服了上述问题。
因此，本发明涉及一种用于加工基体的装置；所述装置具有一工具平面和一反作用平面，该工具平面包括一多层结构，该多层结构有：
-一具有基本上非柔性的(inflexible)外表面的芯；及
-至少一个附着到芯的表面上的工具，
其中，在至少一部分工具平面和/或反作用平面中设置有柔性力吸收构件，以局部地吸收由这些平面所施加的力。
柔性力吸收构件适于使沿芯和/或工具的压力相等，因此沿芯和/或工具的长度方向可能存在的零星的不均匀性不会在该不均匀的区域内产生较高的局部压力，因为力吸收构件将吸收/平衡这种较高压力。
在一些实施例中，柔性力吸收构件可以是弹性的。因此，当工具平面和/或反作用平面所施加的压力消失时，柔性力吸收构件可以返回到初始位置。在一些实施例中，可以选择这样的柔性力吸收构件，即当压力施加到所述构件上时，它只产生弹性变形。当柔性力吸收构件执行下面步骤时，可以产生可逆过程：未压缩状态(在这些工具施加压力之前)-压缩状态(在这些工具施加压力期间)-未压缩状态(在这些工具施加压力之后)。因为柔性力吸收构件只进行弹性变形，该构件在施加压力之前和之后的厚度可以相同。当柔性力吸收构件是弹性的时，该构件可以具有类似弹簧的特性。
弹性吸收构件的一个优点是，与非柔性力吸收构件相反，弹性吸收构件可以重复使用，而非柔性力吸收构件可能产生塑性变形，并因此必须在下一次使用该装置之前由未产生塑性变形的零件更换。
本发明涉及一种用于加工基体的装置，所述装置具有一工具平面和一反作用平面，该工具平面包括一多层结构，该多层结构有：
-一具有基本上非柔性的外表面的芯；及
-至少一个附着到芯的表面上的工具，
其中，在至少一部分工具平面和/或反作用平面中设置有柔性力吸收构件，该柔性力吸收构件适于弹性变形，从而局部地吸收由这些平面施加到基体上的力。
该柔性力吸收构件适于在室温和/或大气压力下进行弹性变形。在一些实施例中，室温可以在0摄氏度到100摄氏度之间。在一些实施例中，重要的是，该装置周围的空气/空间的温度使操作者可以在不必封装机器或者不必穿着防止极限温度的衣服的情况下操纵机器。类似地，压力使操作者可以在不必封装机器和/或不必穿着防护服的情况下操纵机器也是重要的。因此，在这种应用中，大气压力可以看成这样的压力，即在该压力中，人们可以经受得住较长或者较短的时间。在操作期间，工具平面和/或反作用平面可以被加热。正在被加工的基体可以被加热以被软化。
在一些实施例中，避免封装装置是重要的，这种封装例如由于工件加工较复杂而降低了操作速度。当然，在一些国家中，法律可能要求封装装置而需遵守。工作速度可以是每小时0-10,000米基体，例如每小时2,000-8,000米，每小时4,000-5,000米。工件/基体可以是1米长的例如塑料或者金属板材。这些工件/基体可以是卷材。
工具平面和反作用平面的运动可以沿着垂直方向和/或水平方向同步进行。如果两个平面设置为一个用于使工件移动通过其中的冲压加工机构，那么冲压过程可以与移动过程同步。如果两个平面设置为一个或者多个用于旋转地加工第一层的鼓，那么所述鼓可以是同步的。
在一个实施例中，一个工具可以包括设置有用以切割基体的配合工作的刀刃的一工具平面和一反作用平面。该工具可以用于例如在偏心压机中进行切割如模切或者冲压，但是也可以用在适于通过配合工作的刀刃来切割基体的旋转鼓中。所述鼓适于在一基体中切割和/或成形，例如压印微观结构。
该工具也可以用于微观压印(micro embossing)、宏观压印(macroembossing)、在片材/板上标记切割线。
另一个实施例包括一个具有一工具平面和一反作用平面的工具，其中，工具表面或者反应表面中的至少一个适于使基体的至少第一层成形为预定的形状。这种工具可以用在用于使基体成形的液压压机中，但是也可以用在轧制工艺中。
该工具平面可以是与普通冲压机的已知工具平面一致的硬平面。冲头借助刚性凸轮盘、线性致动器或者类似构件进行上下运动。冲头应该在基体和反作用平面上提供足够的压力，以在该基体中压印结构。工具平面或者反作用平面都可具有刚性，因为工具平面或者反作用平面或者这两者的柔性力吸收构件将消除公差。
优选的是，柔性力吸收构件设置成可以改变柔性。根据本发明的一实施例，将柔性力吸收构件设置成弹性胶粘带的形式，该胶粘带附着到工具平面的表面和/或反作用平面的表面上，从而形成该装置的力吸收层。通过例如改变胶粘带的类型或者胶粘带的厚度可以容易地改变该装置的弹性和吸收公差的能力。
柔性力吸收构件可以包括至少一个设置在多层结构中和/或附着到反作用平面上的力吸收层。
工具平面和反作用平面都可以设置有一力吸收层。
优选地，柔性力吸收层设置在位于芯和工具之间的多层结构中。这个实施例是有利的，因为吸收层如此就可以吸收沿芯和/或工具的整个长度上的所有零星的不均匀性。
根据另一个实施例，柔性力吸收构件可以设置为一例如金属的硬平面，该硬平面附着到工具平面和/或反作用平面的表面上并设置有面向工具平面和/或反作用平面的回弹弹簧。这些弹簧可能或者具有可调整的特性或者可以可拆下地安装以由其特性与各个压印任务和基体材料相匹配的弹簧更换。
根据本发明的一个优选实施例，工具平面是用于旋转地压印三维结构的圆筒形的鼓，同样，反作用平面是用于提供必要的反向压力的圆筒形鼓或者夹持辊。
该装置适于借助下面方法在具有平面偏差或者粗糙度δ的不平硬基体中压印结构：
-选择力吸收层的厚度τ，以使该厚度τ超过平面偏差δ。
这样，借助压缩力吸收层可使该层消除偏差的至少主要部分。还优选的是，力吸收层的材料如此选择，即压缩该材料所需要的力应该小于在基体中压印该结构所需要的力，即未压缩柔性层应该软于基体的表面。
优选地，选择力吸收层的厚度为0.1-5mm，例如0.2-4.5mm，0.3-4.0mm、0.4-3.5mm、0.5-3mm、0.6-2.5mm、0.7-2.0mm和例如大小为1.5mm。
优选地，选择吸收层为具有使该层提供一作用力给硬基体的弹性，该力在给定的压缩率γ处超过硬基体的屈服点，并且柔性力吸收层的厚度在压缩率γ处超过平面偏差δ。
力吸收层可以设置成双面胶粘带形式，以使至少一个工具如(薄)垫片附着到芯的外表面上，选择该垫片的厚度为0.1-0.5mm，例如0.2-0.4mm、0.21-0.3mm、0.22-0.26mm和0.24mm。
芯可以设置有一钢表面，以便易于提供具有必要的附着强度的胶粘带。例如，3M型9586F双面胶粘带对钢有足够的胶粘性。而且，易于将钢的足够刚性提供给压印或者反作用表面。为了确保粘附力最佳，钢表面的粗糙度为1-100微米是优选的。因此，可以提供对钢的粘附力为6-12N/cm，例如7-11N/cm、8-10N/cm和9N/cm。
优选地，双面胶粘带的一侧或者两侧设置有基于丙烯酸的胶粘剂，并且优选地，该带的动态肖氏硬度(dynamic share)为50-100N/cm2，例如70N/cm2。
该带的胶粘层可以提供有永久性胶粘剂，以使得可以重复使用该带，并且可以把垫片重新安装到柔性层上，这使得重新安装更加方便和快捷。因此，因为可以非常方便地更换工具，本发明提供了一种灵活得多的装置。
加工过程可包括在基体中压印三维结构，例如在基体中压印纳米结构，或者它可以包括在金属基体中压印纳米结构。
根据第二方面，本发明涉及一种用于旋转地加工多层基体的第一层的鼓，该第一层具有第一硬度，并且后面的层具有第二硬度，所述鼓具有：
-一具有基本上非柔性的外表面的芯，
-一具有第三硬度的柔性力吸收层，该柔性力吸收层附着在芯的周缘上；及
-一具有三维结构的压印模件(matrix)，该模件附着在柔性力吸收层的周缘上。
其中，选择柔性力吸收层以使第三硬度大于第一硬度但小于第二硬度，从而确保三维结构形成在第一层中，但不会形成在随后的层中。
根据第三方面，本发明涉及一种通过使用下面装置在基体的第一层中加工三维结构的方法，该装置具有一工具平面和一反作用平面，该工具平面包括一多层结构，所述方法包括下面步骤：
-提供一种附着到工具平面的芯的表面上的工具，该工具平面的芯上设置有一柔性力吸收层；及
-在工具平面和反作用平面之间设置一片基体；及
-施加压力从而加工基体。
根据第四方面，本发明涉及一种用于使一工具附着到用于加工基体的装置的工具平面的表面上的方法，所述方法包括在工具平面和工具之间设置一弹性层，选择该层的弹性为未压缩层软于基体的表面。该工具可以是垫片或者任何其它类型的工具。
与上述任一方面相关的所述基体可以选自漆、厚纸、纸板、聚合物、印刷油墨、塑料、金属如锡、铝、铜、铅、钢。基体的布氏硬度(HB10)为10N/mm2至1000N/mm2。
本发明提供了一种在室温下以高速(如每小时1-2米plade片材)加工基体的技术。特别地，该技术应该可以应用于制造例如食品容器的高速生产线。
当然，施加到基体上的压力应该大到可以在基体中压印或者冲压或者切割希望的形状。优选地，该压力为100-1000kg/cm2。选择压力和基体类型的组合，以便获得最好的加工结果。
由于使用这种装置，可以以一种简单的方式来控制由支承材料保持的基体的加工，并且，因为使用了柔性力吸收层如双面胶粘带可以避免支承材料(或者芯材料)变形。
附图说明
现在将参照附图详细地描述本发明的实施例，其中：
图1示出了本发明的压印鼓；
图2示出了图1所示的鼓的侧视图；
图3示出了其上部加压件为压印冲头形式的装置的一个替换实施例；
图4、5和6示出了使垫片柔性地附着/安装到压印装置上的原理的示意图；及
图7示出了在基体中压印三维结构的机器。
具体实施方式
下文的实施例涉及在例如钢板的硬表面中压印全息图。参照图1，本发明的装置包括一压印辊3和一夹持辊7。该夹持辊提供了必要的反向压力一夹持辊的表面对应于反作用平面。该压印辊设置有多个垫片1，这些垫片借助弹性胶粘带2而附着到该辊上。压印辊和夹持辊由轴承4、6支承。其中一个辊子(图1中为压印辊3)设置有这样一种构件，该构件借助调整这些辊之间的间隙而调整压印辊和夹持辊之间的压力。轴承中的吸收层5吸收该压力。吸收层5可以借助预定的“保持力”而扭曲，从而在于辊子3、7之间引入一片材(或者要加工的任何其它材料)时控制压印辊3的向上运动。
例如，压印辊可以由可使辊子线性移动的伺服驱动导向轨保持。压印辊和/或夹持辊之一或两者由动力驱动构件旋转。例如，这些辊子以同步的方式旋转，其中，将这些辊子的周边速度调整为在用于印制和压印来自卷材的基体的加工机器的前面和/或后面的辊子或者其中多组辊子的速度。为了避免板在压印辊和夹持辊之间滑动，这两个辊子优选地由同步动力构件驱动，以使这些辊子的周边速度相同。优选的是，这些辊子的直径是相同的。安装有上述辊子和夹持辊的合格的涂漆机或者印刷机可在市场上购得。但是，没有任何一台这样的机器设置有如上所述附着到辊子上的垫片。
如图1所示，多个垫片可以附着到一单个压印辊的表面上。这样，可以最佳地利用辊的表面区域，并且压印辊的每一圈都可以压印出许多复制品。附着到一个辊子(或者工具平面)上的这些垫片可以相同，或者不相同。
如图2所示，当在基体中压印全息图期间，弹性胶粘带2被压缩。楔9用于使缠绕层附着到辊子的表面上。这样，可以仅通过拆去保持多个垫片的缠绕层而更快地变换要压印的复制品，其中，该垫片借助弹性胶粘带而附着到缠绕层上。根据一优选实施例，保持多个垫片的缠绕层可以具有足够的弹性以提供柔性。因此，这些垫片可以直接附着到缠绕层上，并因此可以通过更换缠绕层而同时更换多个缠绕层。
图3示出了该装置的一实施例，其中鼓用一可以沿着垂直轴线向着工作台8运动的冲头取代。该冲头设置有至少一个借助弹性胶粘带2附着到冲头上的垫片1。
图4、5和6示出了本发明的压印原理。图4示出了这样的原理：通过柔性材料如弹性胶粘带、泡沫橡胶或者类似的弹性构件将可移动的平面如鼓或者冲头的力施加到工具(垫片)上，从而在基体中压印三维结构。反作用平面用于给冲头或者鼓提供必要的反向压力。在图5中，Δf表示压缩弹性带或者类似柔性构件而产生的力的增量。柔性层将吸收基体的非平面性和表面公差。Δh表示基体的永久变形。
图7示出了用于进行压印的机器，该机器包括：第一存放器17，它存放压印之前的钢板14；一组压印鼓13、16(一可运动的平面和一反作用平面)；及第二存放器11，它用于存放压印之后的钢板。这些钢板在构件15上进行运输。可借助调整机构12来调整压力。

Claims (30)

1.一种用于加工基体的装置，所述装置具有一工具平面和一反作用平面，该工具平面包括一多层结构，该多层结构具有：
-一具有基本上非柔性的外表面的芯；及
-至少一个附着到芯的表面上的工具，
其中，在至少一部分工具平面和/或反作用平面中设置有柔性力吸收构件，以局部地吸收由这些平面所施加的力。
2.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述柔性力吸收构件是弹性的。
3.一种如权利要求1或者2所述的装置，其特征在于，所述柔性力吸收构件包括至少一个设置在该多层结构中的力吸收层。
4.一种如权利要求1-3中的任一项所述的装置，其特征在于，所述柔性力吸收构件包括至少一个附着在反作用平面上的力吸收层。
5.一种如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述工具平面和反作用平面都设置有一力吸收层。
6.一种如权利要求3-5中的任一项所述的装置，其特征在于，所述柔性力吸收层设置在位于芯和工具之间的多层结构中。
7.一种如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，工具平面和反作用平面设置有用于切割基体的配合工作的刀刃。
8.一种如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述工具平面或者反作用平面中的至少一个适于使基体的至少第一层成形为预定形状。
9.一种如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述工具平面设置成一用于通过冲压来加工基体的至少第一层的冲头。
10.一种如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述工具平面设置成一用于旋转地加工基体的至少第一层的鼓。
11.一种如权利要求3-10中的任一项所述的装置，其特征在于，该装置适于借助下面方法加工一具有平面偏差(如粗糙度)δ的不平的硬基体：—选择力吸收层的厚度为τ，以使该厚度τ超过平面偏差δ。
12.一种如权利要求3-10中的任一项所述的装置，其特征在于，选择力吸收层的厚度为0.1-5mm，例如0.2-4.5mm、0.3-4.0mm、0.4-3.5mm、0.5-3mm、0.6-2.5mm、0.7-2.0mm和1.5mm。
13.一种如前述权利要求11-12中的任一项所述的装置，其特征在于，选择柔性力吸收层的弹性为可使该柔性力吸收层提供力给基体，该力在给定的压缩率γ处超过基体的屈服点，并且柔性力吸收层的厚度在该压缩率γ处超过平面偏差δ。
14.一种如权利要求3-12中的任一项所述的装置，其特征在于，柔性力吸收层是用于使至少一个工具附着到芯的外表面上的双面胶粘带。
15.一种如权利要求14所述的装置，其特征在于，选择双面胶粘带的厚度为0.1-0.5mm，例如0.20-0.4mm、0.21-0.3mm、0.22-0.26mm和0.24mm。
16.一种如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，芯设置有钢表面。
17.一种如权利要求16所述的装置，其特征在于，钢表面的粗糙度为1-100微米。
18.一种如权利要求14-17中的任一项所述的装置，其特征在于，该带和钢之间的粘附力为6-12N/cm，例如7-11N/cm、8-10N/cm和9N/cm。
19.一种如权利要求14-18中的任一项所述的装置，其特征在于，该带借助基于丙烯酸的胶粘剂附着到芯上。
20.一种如权利要求14-19中的任一项所述的装置，其特征在于，该工具借助基于丙烯酸的胶粘剂附着到带上。
21.一种如权利要求14-20中的任一项所述的装置，其特征在于，该带的胶粘层具有永久的粘附力，从而可以把工具重新安装到柔性层上。
22.一种如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述工具包括一个或多个待胶粘到胶粘层上的垫片。
23.一种如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，该加工过程包括在基体中压印一种三维结构。
24.一种如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，该加工过程包括在基体中压印一种纳米结构。
25.一种如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，该加工过程包括在一金属基体中压印一种纳米结构。
26.一种如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述基体选自漆、聚合物、印刷油墨、塑料、厚纸、纸板、金属如锡、铝、铜、铅、钢。
27.一种如前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，基体的布氏硬度HB10为10N/mm2至1000N/mm2。
28.一种用于旋转地加工多层基体的第一层的鼓，该第一层具有第一硬度，并且随后的层具有第二硬度，所述鼓具有：
-具有基本上是非柔性的外表面的芯，
-具有第三硬度的柔性力吸收层，该柔性力吸收层附着在芯的周边上；及
-具有三维结构的压印模件，该模件附着在柔性力吸收层的周缘上，
其中，选择柔性力吸收层以使第三硬度大于第一硬度但小于第二硬度，从而确保所述三维结构形成在所述第一层中而不形成在随后的层中。
29.一种通过使用一种具有一工具平面和一反作用平面的装置在一基体的第一层中加工三维结构的方法，该工具平面包括一多层结构，所述方法包括下述步骤：
提供一种附着到工具平面的芯的表面上的工具，该工具平面的芯上设置有一柔性力吸收层；和
在工具平面和反作用平面之间放置一片基体；及
施加压力从而加工基体。
30.一种用于使一工具附着到用于加工基体的装置的工具平面的表面上的方法，所述方法包括在工具平面和工具之间设置一弹性层，选择该层的弹性为未压缩层软于基体的表面。
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