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I. Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Prägewalze und ein Verfahren zum
Erzeugen eines Prägemusters
in einer Materialbahn oder in einem Zuschnitt. Die Erfindung ist
insbesondere in Zusammenhang mit mehrlagigen Tissueservietten oder
Tissuetaschentüchern
anwendbar, die aus mehreren Lagen Tissuepapier bestehen, wobei die
Tissuelagen durch Verprägen
miteinander zusammengehalten werden.
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II. Technischer
Hintergrund
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Es
ist bekannt, in Maschinen zur Herstellung von Papiertaschentüchern eine
Prägestation
anzuordnen, die die vorzugsweise aus Tissuepapier bestehende Materialbahn
mit einem Prägemuster
versieht. Hierzu umfasst die Prägestation
ein Walzenpaar, das zum einen eine Prägewalze und zum anderen eine
Gegenwalze aufweist. Zwischen den beiden Walzen befindet sich ein
Durchtritts- oder Prägespalt, durch
den hindurch die Materialbahn geführt wird. Die Prägewalze
weist eine Vielzahl aus ihrer Mantelfläche radial hervorstehender
Prägestifte
auf, während
die Gegenwalze mit einer glatten Mantelfläche versehen ist.
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Insbesondere
Papiertaschentücher
werden zum Erreichen einer hohen Produktivität häufig mittels mehrbahniger Herstellungsmaschinen,
die mehrere nebeneinander verlaufende Nutzenreihen aufweisen, produziert.
Im Übrigen
weisen sie zum Zusammenhalten der Tissuelagen typischerweise eine an
ihrem Rand angeordne te Randprägung
sowie eine von der Randprägung
umgebene, im Wesentlichen ungeprägte
Spiegelfläche
auf.
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Während des
Betriebs des gegenläufig
rotierenden Walzenpaares treten vor allem in mehrbahnigen Herstellungsmaschinen
zur Herstellung randgeprägter
Papiertaschentücher
aufgrund der Prägekräfte Walzenschwingungen
auf, die sich nachteilig auf die Qualität des Prägemusters in dem späteren Papiertaschentuch
auswirken. Diesem als "Rattern" bezeichneten Phänomen könnte durch
eine insgesamt steifere Konstruktion der Walzen sowie deren Lagerungen
teilweise entgegengewirkt werden. Dies ist insbesondere wegen der
damit verbundenen, Abmessungs- und
Gewichtszunahme der Walzen unerwünscht.
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III. Darstellung
der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Prägewalze
und ein Verfahren zum Erzeugen eines Prägemusters in einer Materialbahn oder
in einem Zuschnitt zu schaffen, bei der bzw. bei dem in einer mehrbahnigen
Herstellungsmaschine zur Herstellung randgeprägter Papiertaschentücher möglichst
keine Ratterschwingungen auftreten und gleichzeitig die Steifigkeit
der Walzenkonstruktion nicht erhöht
werden muss.
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b) Lösung der Aufgabe
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Diese
Aufgabe wird mittels einer Prägewalze und
eines Verfahrens zum Erzeugen eines Prägemusters mit den Merkmalen
der Ansprüche
1 bzw. 5 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
die Eingriffsfläche,
d.h. die Summe derjenigen Stirnflächen von Prägestiften, die sich gleichzeitig
mehr oder weniger in Eingriff mit der zu prägenden Materialbahn befinden,
im Wesentlichen konstant zu halten. Hierzu wird ein quer über alle
Nutzenreihen verlaufendes Eingriffsflächen band definiert, das gedanklich über die
in die Ebene abgewickelte Mantelfläche der Prägewalze gelegt wird und so
lang ist wie die Summe der Breiten aller Nutzenreihen. Die Breite
des Eingriffsflächenbandes
wird erfindungsgemäß wenigstens
in Abhängigkeit
von dem auf die Mantelfläche der
Prägewalze
bezogenen Durchmesser vorgegeben, vorzugsweise zusätzlich in
Abhängigkeit
von der Höhe
bzw. dem radialen Überstand
der Prägestifte über die
Mantelfläche
und/oder der Dicke der Materialbahn bzw. des Zuschnitts und/oder
der Weite des Prägespaltes.
Die vorzugebende Breite des Eingriffsflächenbandes soll näherungsweise
die tatsächlichen
Eingriffsverhältnisse
zwischen den Prägestiften
und der Materialbahn widerspiegeln. Sie orientiert sich daher der
Größenordnung
nach an derjenigen Strecke, über
welche hinweg die Materialbahn bzw. der Zuschnitt beim Prägen ein-
oder zusammengedrückt
wird. Vorzugsweise ist die Breite des Eingriffsflächenbandes
kleiner als die vorgenannte Strecke.
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Eine
im Wesentlichen konstante Eingriffsfläche im Sinne der vorliegenden
Erfindung bedeutet, dass ein zu berechnender Eingriffsparameter
einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten darf. Ein Beispiel
für die
Berechnung dieses Eingriffsparameters wird später beschrieben. Dadurch, dass
die vorgenannte Eingriffsfläche
in diesem Sinne im Wesentlichen konstant bleibt, treten zwischen
Prägewalze
und Gegenwalze kaum noch Prägekraftschwankungen
auf, die im Stand der Technik zu den unerwünschten Ratterschwingungen
führen.
Die zwischen den beiden Walzen auftretenden Prägekräfte sind erfindungsgemäß im Wesentlichen
konstant, so dass Ratterschwingungen nicht mehr angeregt werden.
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Eine
im Wesentlichen konstante Eingriffsfläche kann beispielsweise durch
eine bestimmte Anordnung gleich groß dimensionierter Prägestifte
auf der Mantelfläche
der Prägewalze
erreicht werden. Zusätzlich
oder alternativ ist denkbar, die Prägestifte mit verschieden großen Stirnflächen für den Eingriff in
die Materialbahn auszubilden und dadurch die Eingriffsfläche konstant
zu halten.
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Nachfolgend
wird eine Ausführungsform
der Erfindung am Beispiel einer vierbahnigen Herstellung von Papiertaschentüchern anhand
von Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1:
eine schematische Schnittdarstellung eines Prägewalzenpaares;
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2:
eine Teilabwicklung einer Prägewalzenoberfläche mit
insgesamt vier Nutzenreihen;
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3:
ein aus dem Stand der Technik bekanntes Prägemuster für ein Papiertaschentuch;
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4:
ein mit der erfindungsgemäßen Prägewalze
hergestelltes Prägemuster
eines Papiertaschentuchs;
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5:
ein Diagramm, das Eingriffsflächen nach
dem Stand der Technik sowie gemäß der vorliegenden
Erfindung gegenüber
stellt;
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6:
ein Diagramm zur Gegenüberstellung eines
herkömmlichen
Prägemusters
mit einem Referenzprägemuster;
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7:
ein Diagramm zur Gegenüberstellung eines
erfindungsgemäß hergestellten
Prägemusters und
des Referenzprägemusters;
und
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8:
eine vergrößerte Darstellung
des Details „X" aus 1 zur
Erläuterung
der Festlegung der Breite des Eingriffsflächenbandes.
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1 zeigt
eine im Uhrzeigersinn rotierende Prägewalze 1 sowie eine
im Gegenuhrzeigersinn rotierende Gegenwalze 4. Die Prägewalze 1 weist
auf ihrer Mantelfläche 2 nur
zum Teil dargestellte Prägestifte 3 zum
Einbringen von Prägevertiefungen
in eine Materialbahn 6 auf, die in 1 von rechts
nach links durch den Spalt zwischen den Walzen 1 und 4 hindurchgeführt wird.
Die Manteloberfläche 5 der
Gegenwalze 4 ist glatt ausgebildet, d. h. sie weist keinerlei
Prägevorsprünge auf.
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2 zeigt
die Teilabwicklung der Mantelfläche 2 einer
aus dem Stand der Technik bekannten Prägewalze in die Ebene. Es sind
insgesamt vier in Walzenaxialrichtung z nebeneinander liegende Nutzenreihen
N1, N2, N3, N4 mit der jeweiligen
Breite bN1, bN2,
bN3, bN4 zu erkennen,
die die gesamte Breite der Materialbahn 6 ausfüllen. In
jeder Nutzenreihe N1, N2, N3, N4 erfolgt die
Prägung
eines Prägemusters
auf die Materialbahn 6. Wie zu erkennen ist, sind die Prägemuster
in jeder Nutzenreihe N1, N2,
N3, N4 in Umfangsrichtung
der Prägewalze 1 bzw.
Drehwinkelrichtung α zueinander
versetzt.
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Bei
Papiertaschentüchern
verwendete Prägemuster
weisen im Allgemeinen eine Rechteckform auf. Die in 2 gezeigten
Prägemuster
sind im Gegensatz dazu jeweils quadratisch oder rechteckig. Bei
den als Endprodukt entstehenden, fertigen Papiertaschentüchern befindet
sich das Prägemuster
in Form einer Randprägung
an deren Rand. Die Randprägung
umgibt oder umschließt
bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
vollständig
eine zusammenhängende,
ungeprägte
Spiegelfläche
S, die sich in dem Innenfeld der Rändprägung befindet, wie in 2 zu erkennen
ist. Die Spiegelfläche
S ist vorzugsweise größer oder
gleich einem Viertel der gesamten Produktfläche, d.h. der Gesamtfläche des
Papiertaschentuches umfassend die Spiegelfläche S und die Fläche der
Randprägung.
Ggf. kann ein schmaler, ungeprägter
Streifen zwischen der Randprägung
und dem Produkt- bzw.
Papiertaschentuchrand einen weiteren Bestandteil der Gesamtfläche des
Papiertaschentuchs darstellen. Etwaige Logo- oder ähnliche Einprägungen in
die Spiegelfläche
S werden in diesem Zusammenhang auch berücksichtigt, so dass die zugehörigen, im
Verhältnis
zu der Randprägung vergleichsweise
kleinen Prägeflächen auch
nicht der Spiegelfläche
S selbst zugerechnet werden. Im Übrigen
ist denkbar, dass die Randprägung
die Spiegelfläche
S nicht vollständig
geschlossen umlaufend, sondern lediglich teilweise umgibt.
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Über die
gesamte Breite der Materialbahn 6 sind in 2 zum
Zwecke der Illustration zwei gedachte Eingriffsflächenbänder EFB1 und EFB2 eingezeichnet.
Diese Eingriffsflächenbänder weisen
jeweils eine Breite ΔI
auf und kennzeichnen exemplarisch diejenigen Eingriffsflächen Ae(α1) und Ae(α2)
als die Summe der Stirnflächen
derjenigen Prägestifte 3, die
sich an verschiedenen Winkelpositionen α1 und α2 der
Abwicklung gleichzeitig im Eingriff befinden und somit zu den Zeitpunkten
t1 und t2 an dem
Prägevorgang
beteiligt sind.
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Zur
Vermeidung der Ratterschwingungen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
durch Veränderung
des Prägemusters, Änderung
der Anzahl der Prägepunkte
und/oder der Größe der einzelnen
Prägepunkte
die Eingriffsfläche
im Wesentlichen konstant zu halten. Hierzu wird der folgende Eingriffsflächenparameter
M
e gebildet:
wobei
- Ae max
- = maximale Eingriffsfläche in dem
Eingriffsflächenband
während
einer vollständigen Umdrehung
der Prägewalze 1 (über eine vollständige Abwicklung),
- Ae min
- = minimale Eingriffsfläche in dem
Eingriffsflächenband
während
einer vollständigen Umdrehung
der Prägewalze 1 (über eine vollständige Abwicklung).
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Im
Wesentlichen konstant im Sinne der folgenden Erfindung soll vorzugsweise
bedeuten, dass bei zwei-bahnigen Herstellungsmaschinen mit zwei Nutzenreihen
N1, N2 die Ungleichung Me ≤ 30 %und bei vier-bahnigen
Herstellungsmaschinen mit vier Nutzenreihen N1,
N2, N3, N4 die Ungleichung Me ≤ 20
%gilt. Die Berechnung des Eingriffsflächenparameters Me erfolgt
mit Hilfe der elektronischen Datenverarbeitung.
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Anzustreben
ist ein Eingriffsflächenparameter
von Me = 0 %, d. h. derjenige Zustand, in
dem die Eingriffsfläche
mathematisch exakt konstant ist. Solange der Maximalwert des Eingriffsflächenparameters
Me die Höhe
von 30 % bzw. 20 % nicht überschreitet,
erhält
man jedoch Prägeergebnisse,
die bei visueller Bewertung keine Rattermarken aufweisen.
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In
den 3 und 4 sind Prägemuster aus dem Stand der
Technik sowie gemäß der vorliegenden
Erfindung einander gegenübergestellt. 3 zeigt
den Teil eines herkömmlichen
Prägemusters, wie
es auch mehrfach in 2 gezeigt ist. Der Prägestiftdurchmesser
zur Herstellung des Prägemusters
gemäß 3 betrug
0,4 mm. 4 zeigt den Teil eines Prägemusters,
das der erfindungsgemäßen Bedingung
einer im Wesentlichen konstanten Eingriffsfläche Rechnung trägt. Wie
zu erkennen ist, ist die Ecke des an sich quadratischen Prägemusters in
dem Übergangsbereich
E abgerundet. Die Prägestiftdurchmesser
zur Erzeugung der Prägevertiefungen
in dem Bereich E betrugen 0,5 mm, während die Prägestiftdurchmesser
zur Erzeugung der Prägevertiefungen
außerhalb
des Bereiches E 0,4 mm wie bei dem Prägemuster gemäß 3 betrugen.
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5 zeigt
eine Gegenüberstellung
der Größe der Eingriffsflächen bei
der Herstellung des Prägemusters
gemäß 3 und
des Prägemusters
gemäß 4 in
Abhängigkeit
von dem Drehwinkel α. Neben
den Eingriffsflächen
für die
insgesamt vier Nutzenreihen N1, N2, N3, N4 ist
auch die über
alle Nutzenreihen N1, N2,
N3, N4 aufsummierte
Eingriffsfläche dargestellt.
In dem linken Diagrammhälfte
der 5, in welcher die Verhältnisse bei dem aus dem Stand der
Technik bekannten Prägemuster
dargestellt sind, pendelt die aufsummierte Eingriffsfläche zwischen den
Werten von ca. 80 mm2 und ca. 190 mm2. Im Gegensatz dazu wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erreicht, dass die Größe der Eingriffsfläche nur
zwischen ca. 80 mm2 und ca. 90 mm2 pendelt, wie der rechten Diagrammhälfte der 5 zu
entnehmen ist. Die zugehörigen
Eingriffsflächenparameter
Me ergeben sich in 5 zu Me = 44 % (linke Diagrammhälfte) und Me =
11 % (rechte Diagrammhälfte).
Dies zeigt anschaulich, wie erfindungsgemäß das Schwingen der Größe der Eingriffsfläche minimiert
und entsprechend Ratterschwingungen vermieden werden können. Bei
dem Ausführungsbeispiel mit
vier Nutzenreihen N1, N2,
N3, N4 bleibt der
Eingriffsflächenparameter
Me weit unter 20 %.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann Ratterschwingungen zusätzlich entgegen
gewirkt werden, indem die aufsummierte Eingriffsfläche so weit
wie möglich
reduziert wird.
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8 zeigt
das Detail „X" aus 1 zur
Erläuterung
der erfindungsgemäßen Festlegung
der Breite ΔI
des Eingriffsflächenbandes
EFB1 bzw. EFB2.
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Beispielsweise
kann für
die Breite ΔI
die Strecke 2 × AB
gewählt
werden. Zur näherungsweisen
Modellierung der tatsächlichen
Verhältnisse
in dem Prägespalt
wird für
die in 8 gezeigte Strecke BD Folgendes angenommen: BD = 12 (t – h – s)wobei
- t
- = Dicke der Materialbahn
(6) oder des Zuschnitts;
- h
- = radialer Überstand
der Prägestifte
(3) über
die Mantelfläche
(2); und
- s
- = Weite des Prägespaltes.
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Ausgehend
von dieser Annahme ergibt sich für
die Breite ΔI
des Eingriffsflächenbandes:
wobei zusätzlich:
- R
- = auf die Stirnflächen der
Prägestifte 3 bezogener
Radius der Prägewalze
(1).
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Oder
vereinfacht für
die Praxis mit
- D
- = auf die Stirnflächen der
Prägestifte 3 bezogener
Durchmesser der Prägewalze 1 in
mm
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Eine
alternative Möglichkeit,
die Breite ΔI des
Eingriffsflächenbandes
festzulegen, besteht darin, die in 8 zu erkennende
Strecke 2 × BC
zu wählen.
Zur näherungsweisen
Modellierung kann in diesem für
die in 8 gezeigte Strecke BE Folgendes angenommen werden: BE = 12 (t + h – s)wobei
wiederum
- t
- = Dicke der Materialbahn
(6) oder des Zuschnitts;
- h
- = radialer Überstand
der Prägestifte
(3) über
die Mantelfläche
(2); und
- s
- = Weite des Prägespaltes.
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Ausgehend
von dieser Annahme ergibt sich für
die Breite ΔI
des Eingriffsflächenbandes
alternativ:
wobei wiederum zusätzlich:
- R
- = auf die Stirnflächen der
Prägestifte 3 bezogener
Radius der Prägewalze
(1).
-
Oder
vereinfacht für
die Praxis mit
- D
- = auf die Stirnflächen der
Prägestifte 3 bezogener
Durchmesser der Prägewalze 1 in
mm
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Denkbar
sind über
die beiden oben genannten Möglichkeiten
hinaus noch weitere Festlegungen der Breite ΔI des Eingriffsflächenbandes,
die insbesondere auch empirisch ermittelt werden können. Die Breite ΔI sollte
jedoch stets kleiner sein als die in 8 eingezeichnete
Strecke ΔM, über welche
hinweg die Materialbahn 6 während des Prägevorgangs abweichend
von ihrer ursprünglichen
Dicke t eingedrückt
wird. Erfindungsgemäß sollen
unabhängig
von der Wahl der Methode zur Festlegung der Breite ΔI die oben
genannten Ungleichungen betreffend den Eingriffsflächenparameter
Me gelten.
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Dem
hier insbesondere in den 3 bis 7 gezeigten
und diskutierten Ausführungsbeispiel
liegen folgende Geometrieparameter zu Grunde:
t = 0,293 mm
h
= 0,14 mm
s = 0,02 mm
D = 271,5 mm ΔI = 2 × AB = 8,5
mm LB = bN1 + bN2 + bN3 + bN4 = 840,0
mm
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Die
Prägequalität eines
erfindungsgemäß erzeugten
Prägemusters
wird zum einen von der Ausbildung der Prägevertiefungen an sich (Eindringtiefe der
Stifte in die Materialbahn) und zum anderen von der Gleichmäßigkeit
der Anordnung der Prägevertiefungen
relativ zueinander bestimmt. Die Prägequalität ist anhand von Graustufen
des Prägemusters
beurteilbar. Die Intensität
der Graustufen der einzelnen Prägevertiefungen
stellt ein Maß für die Qualität, d. h. für die Prägetiefe
sowie die Geometrie des Prägepunktes,
dar.
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Wie
in 6 gezeigt, kann der Verlauf der Graustufen- bzw.
Prägeintensität in Abhängigkeit
von dem Drehwinkel dargestellt werden. Für das herkömmliche Prägemuster ergibt sich die in 6 unten
gezeigte Kurve. In 6 oben ist der Verlauf der entsprechenden
Graustufen- bzw. Prägeintensität des idealen
Referenzprägemusters
dargestellt. Der ideale Intensitätsmittelwert
liegt bei 9,4 %, während der
Intensitätsmittelwert
bei dem herkömmlichen Prägemuster
bei 2,8 % liegt. Die ein Maß für den Ausschlag
um den Mittelwert darstellende Modulation liegt für das Referenzprägemuster
bei 1,2 %, während
sie bei dem herkömmlichen
Prägemuster
86,0 % beträgt.
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Die
Graustufen- bzw. Prägeintensität in einem
ausgewählten
Bereich ist in dem Diagramm gemäß 7 in
Form der dort unteren Kurve aufgetragen. Die obere Kurve entspricht – wie in 6 – wieder
dem idealen Referenzprägemuster.
Der ausgewählte
Bereich zeichnet sich dadurch aus, dass er ein Bereich ist, in dem
ein konstanter Verlauf der Prägung
erwartet wird, d.h. in dem sich die Durchmesser und die Anordnung
der Prägepunkte
in Abhängigkeit von
dem Abwicklungswinkel α nicht ändern. Wie
zu erkennen ist, liegt der Mittelwert der Prägeintensität des erfindungsgemäß hergestellten
Prägemusters bei
2,2 %, während
derjenige des Referenzprägemusters
bei 5,5 % liegt. Die Modulation des erfindungsgemäß hergestellten
Prägemusters
beträgt 27,4
%, während
diejenige des Referenzprägemusters
bei 0,8 % liegt.
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Je
näher die
in den 6 bzw. 7 die untere Kurve an der in
den 6 bzw. 7 oberen Kurve liegt, umso besser
ist die Qualität
des hergestellten Prägemusters.
Je kleiner der tatsächlich
erreichte Modulationswert ist, um so besser stimmt die Gleichmäßigkeit
des hergestellten Prägemusters
mit der Gleichmäßigkeit
des idealen Referenzprägemusters überein.
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Vergleicht
man vor diesem Hintergrund die Abweichungen des erfindungsgemäß hergestellten Prägemusters
gemäß 7 mit
den Abweichungen des herkömmlichen
Prägemusters
gemäß 6,
so ergibt sich, dass mit der vorliegenden Erfindung sowohl die Prägeintensität (Dunkelheit
der Prägepunkte)
als auch die Gleichmäßigkeit
der Prägepunktverteilung
verbessert werden konnte.
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- 1
- Prägewalze
- 2
- Mantelfläche der
Prägewalze
- 3
- Prägestifte
- 4
- Gegenwalze
- 5
- Mantelfläche der
Gegenwalze
- 6
- Materialbahn
- E
- Übergangsbereich
- R
- Maschinenrichtung
- S
- Spiegelfläche
- EFB1, EFB2
- Eingriffsflächenband
- LB
- Länge des
Eingriffsflächenbandes
- ΔI
- Breite
des Eingriffsflächenbandes
- N1, N2, N3,
N4
- Nutzenreihen
- bN1, bN2, bN3, bN4
- Breiten
der Nutzenreihen
