DE102006012960A1 - Device for embossing foil substrates for production of components in the areas of micro fluidics, biotechnology, medicine and chemistry, comprises an embossing roll, heat conducting bodies and homogeneous temperable surfaces - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Prägen eines Foliensubstrates, das eine Foliensubstratdicke D aufweist, mit zumindest einem Prägewerk, das ein Prägewerkzeug vorsieht, sowie einer das Foliensubstrat dem Prägewerk zuführenden Einheit.The The invention relates to a device for embossing a Foil substrate having a film substrate thickness D, with at least a stamping mill, that's a stamping tool provides, as well as one the film substrate feeding the embossing unit.
Stand der Technikwas standing of the technique
Es ist bekannt, dass bestimmte Polymere, so genannte Thermoplaste, bleibend verformt werden können, indem sie auf eine Temperatur oberhalb der für das jeweilige Thermoplast charakteristischen Glasübergangstemperatur Tg erwärmt werden, sodann die gewünschte mechanische Verformung des Materials erfolgt und anschließend das Material auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur Tg abgekühlt wird. Auf dieser Eigenschaft der Thermoplaste basiert das heute ebenfalls bekannte, so genannte Heißprägen von Folien oder flächigen Foliensubstraten aus einem thermoplastischen Material. Für Folien oder auch dickere flächige Substrate aus thermoplastischem Material wird im Folgenden einheitlich der Begriff „Foliensubstrat" verwendet.It is known that certain polymers, so-called thermoplastics can be permanently deformed by being heated to a temperature above the characteristic of the respective thermoplastic glass transition temperature T g , then the desired mechanical deformation of the material takes place and then the material to a temperature is cooled below the glass transition temperature T g . The so-called hot embossing of films or sheet-like film substrates of a thermoplastic material, which is also known today, is based on this property of the thermoplastics. For films or even thicker sheet-like substrates made of thermoplastic material, the term "film substrate" is used uniformly below.
Das Heißprägen ist ein Verfahren, bei dem ein Foliensubstrat mit der Glasübergangstemperatur Tg zunächst zumindest an einer Oberfläche des Foliensubstrates über die Temperatur Tg erwärmt wird. Anschließend wird dieser Oberfläche durch ein Prägewerkzeug eine gewünschte Struktur aufgeprägt und letztlich wird durch Abkühlung des geprägten Foliensubstrats unter die Glasübergangstemperatur Tg die aufgeprägte Struktur formstabil erhalten. Idealerweise ist das Prägewerkzeug auch während des Abkühlens formschlüssig mit dem Foliensubstrat verbunden, um eine Relaxation des geprägten Foliensubstrats zu verhindern.Hot stamping is a process in which a film substrate having the glass transition temperature T g is first heated above the temperature T g at least on a surface of the film substrate. Subsequently, a desired structure is impressed on this surface by an embossing tool and, finally, by cooling the embossed film substrate below the glass transition temperature T g, the embossed structure is retained in a dimensionally stable manner. Ideally, the embossing tool is also positively connected to the film substrate during cooling in order to prevent relaxation of the embossed film substrate.
Die für das Heißprägen verwendeten Prägevorrichtungen weisen typischerweise ein so genanntes Prägewerk mit dem Prägewerkzeug sowie zu- und abführende Einheiten, für die Zu- bzw. Abführung des Foliensubstrats zum bzw. vom Prägewerk, auf. Im Prägewerk erfolgt der eigentliche Prägevorgang, d.h. das mechanische Aufprägen der gewünschten Oberflächenstruktur auf die Foliensubstratoberfläche durch kraftbeaufschlagtes Kontaktieren des Prägewerkzeuges mit der Foliensubstratoberfläche. Je nachdem, ob in der Prägevorrichtung als Prägewerkzeug ein Prägestempel oder eine Prägewalze eingesetzt wird, lassen sich grundsätzlich zwei Typen von Prägevorrichtungen unterscheiden:
- Typ (a): Prägevorrichtungen mit Prägestempel zum planaren, zyklischen Heißprägen
- Typ (b): Prägevorrichtungen mit Prägewalze zum rotativen, kontinuierlichen Heißprägen
- Type (a): Embossing dies for planar, cyclic hot stamping
- Type (b): embossing machines with embossing roll for rotary, continuous hot stamping
Bei einer Prägevorrichtung des Typs (a) erfolgt der Prägeprozess in folgenden Schritten:
- – Zuführen des Foliensubstrates in das Prägewerk,
- – Erwärmen des Foliensubstrates und des Prägestempels auf eine Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg des Foliensubstrates,
- – Kraftbeaufschlagtes Kontaktieren von Prägestempel und Foliensubstratoberfläche,
- – Abkühlen des Foliensubstrats und des Prägestempels auf eine Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur Tg,
- – Trennen von Prägestempel und Foliensubstrat, und
- – Abführen des geprägten Foliensubstrats aus dem Prägewerk.
- Feeding the film substrate into the stamping plant,
- Heating the film substrate and the embossing stamp to a temperature above the glass transition temperature T g of the film substrate,
- - Contacting the die and the film substrate surface with force,
- Cooling the film substrate and the stamping die to a temperature below the glass transition temperature T g ,
- - Separation of die and foil substrate, and
- - Removal of the embossed film substrate from the stamping mill.
Aufgrund der relativ langen Heiz- und Abkühlphasen liegt die Zykluszeit in der Größenordnung von ca. 10 Minuten, d.h. alle 10 Minuten kann ein neues Foliensubstrat geprägt werden. Dabei liegen die typischen zu prägenden Foliensubstratflächen im Bereich von ca. 100 cm2, da bei größeren Foliensubstratflächen kein ausreichend homogener Prägedruck erzielt wird. Als Nachteil ergibt sich somit, dass die Prägevorrichtung des Typs (a) aufgrund der Beschränkung auf flächenmäßig kleine Foliensubstrate und vor allern durch die hohen Zykluszeiten nicht für einen hohen Foliensubstratdurchsatz geeignet ist, d.h. diese Vorrichtung eignet sich lediglich zum wirtschaftlichen Heißprägen von Kleinserien.Due to the relatively long heating and cooling phases, the cycle time is on the order of about 10 minutes, ie every 10 minutes a new film substrate can be embossed. In this case, the typical film substrate surfaces to be embossed are in the range of approximately 100 cm 2 since, with larger film substrate surfaces, a sufficiently homogeneous embossing pressure is not achieved. A disadvantage is thus that the embossing device of type (a) is not suitable for a high film substrate throughput due to the restriction to small film substrates and especially because of the high cycle times, ie this device is only suitable for economical hot embossing of small batches.
Die Prägevorrichtungen des Typs (b) hingegen ermöglichen einen hohen Foliensubstratdurchsatz. Üblicherweise werden die zu prägenden Foliensubstrate als quasi Endlosfolie abwickelbar auf einer Rolle bereitgestellt und kontinuierlich durch das Prägewerk geführt, um anschließend als geprägtes Foliensubstrat wieder auf eine weitere Rolle aufgewickelt zu werden (so genanntes Rolle-zu-Rolle-Prinzip).The embossers of type (b), on the other hand a high film substrate throughput. Usually, they become too formative Foil substrates as quasi endless film unwindable on a roll provided and continuously passed through the mill to then as embossed Foil substrate to be wound up again on another roll (so-called role-to-role principle).
In
Das Foliensubstrat wird kontinuierlich und mit relativ hoher Fördergeschwindigkeit durch den Prägespalt hindurchgeführt. Typische Fördergeschwindigkeiten liegen im Bereich von etwa einem Meter pro Sekunde.The Film substrate becomes continuous and with a relatively high conveying speed through the embossing gap passed. Typical conveying speeds lie in the range of about one meter per second.
Das
Aufheizen des Foliensubstrats
Die
Prägewalze
Wie
beschrieben, ermöglicht
die Prägevorrichtung
vom Typ (b) einen hohen Foliensubstratdurchsatz. Zudem können Foliensubstrate
bis zu einigen Metern Breite geprägt werden. Allerdings besteht
der Nachteil, dass beim Anfahren der Vorrichtung typischerweise
mehrere hundert Meter Foliensubstrat durch die Vorrichtung laufen
müssen,
bevor sich ein stationärer
thermischer Zustand einstellt. Das bis zum Erreichen des stationären thermischen Zustands
prozessierte Foliensubstrat ist daher als Ausschuss zu betrachten.
Die Vorrichtung ist daher nur dann sinnvoll einsetzbar, wenn eine
große
Menge geprägten
Foliensubstrats gefertigt werden soll, da der Ausschuss erst dann
mengenmäßig in einem wirtschaftlich
sinnvollen Verhältnis
zum letztlich erzeugten heißgeprägten Foliensubstrat
steht. Ein weiterer Nachteil ist, dass sich Schwankungen im Wärmeeintrag
in das Foliensubstrat sowie ein unhomogener Wärmeeintrag, bspw. durch einen
thermischen Strahler
So besteht heute für zahlreiche Anwendungen, bspw. in den Bereichen der Mikrofluidik oder der Biotechnologie, ein Bedarf an hochgenau gefertigten, strukturierten, flächigen Bauteilen aus thermoplastischen Materialien, die jeweils Flächen von wenigen Quadratzentimetern aufweisen. Derartige Bauteile können vorzugsweise auch unter Nutzung von Heißprägevorrichtungen hergestellt werden. Die benötigten Stückzahlen liegen dabei oftmals in einer Größenordnung, bei der ein wirtschaftlicher Einsatz von Prägevorrichtungen des Typs (a) zum planaren, zyklischen Heißprägen nicht mehr, und der wirtschaftlicher Einsatz von Prägevorrichtungen des Typs (b) noch nicht möglich ist. Die Vorrichtungen vom Typ (b) zum rotativen, kontinuierlichen Heißprägen schießen nämlich über das Ziel hinaus und erlauben die Herstellung der erforderlichen Jahresproduktion innerhalb weniger Minuten, so dass das Verhältnis des entstehenden Ausschusses zu benötigter Stückzahl so hoch ist, dass eine wirtschaftliche Produktion nicht möglich ist.So exists today for numerous applications, for example in the field of microfluidics or biotechnology, a need for highly accurate, structured, flat Components made of thermoplastic materials, each containing surfaces of have a few square centimeters. Such components may preferably also using hot stamping devices getting produced. The necessities numbers are often of an order of magnitude, in the economical use of embossing devices of the type (a) not for planar, cyclic hot stamping more, and the economical use of embossing devices of type (b) still not possible is. The devices of type (b) for rotary, continuous Hot stamping shoots over that Goal and allow the production of the required annual production within a few minutes, so that the ratio of the resulting committee to be needed Number of pieces like this it is high that economic production is not possible.
Darstellung der Erfindungpresentation the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zum Prägen eines Foliensubstrates anzugeben, die die angegebenen Nachteile des Standes der Technik weitestgehend behebt und insbesondere eine wirtschaftliche Herstellung von geprägten Foliensubstraten in hoher Qualität und in flexiblen Stückzahlen, insbesondere von Foliensubstraten zur Herstellung von Bauteilen in den Bereichen Mikrofluidik, Biotechnologie, Medizin und Chemie ermöglicht.Of the Invention is based on a device for embossing the task To provide film substrates, the stated disadvantages of the prior art the technology largely remedies and in particular an economic Production of embossed High quality film substrates and in flexible quantities, in particular of film substrates for the production of components in the fields of microfluidics, biotechnology, medicine and chemistry allows.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.The solution the object underlying the invention is specified in claim 1. The concept of the invention advantageously further-forming features Subject of the dependent claims and the description, in particular with reference to the embodiment refer to.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum Prägen eines Foliensubstrates, das eine Foliensubstratdicke D aufweist, mit zumindest einem Prägewerk, das ein Prägewerkzeug vorsieht, sowie einer das Foliensubstrat dem Prägewerk zuführenden Einheit, derart ausgebildet, dass die zuführende Einheit in Förderrichtung des Foliensubstrates vor dem Prägewerk wenigstens zwei aus einem wärmeleitenden Material bestehende Körper, die jeweils eine homogen temperierbare Oberfläche aufweisen, derart vorsieht, dass sich die homogen temperierbaren Oberflächen beider Körper beabstandet voneinander gegenüberliegen und wenigstens in einem zusammenhängenden Überlappungsbereich überlappen, und dass zumindest ein zu prägender Bereich des Foliensubstrates im Überlappungsbereich zwischen den Oberflächen durch die zuführende Einheit führbar ist.According to the invention is a Device for embossing a film substrate having a film substrate thickness D, with at least one stamping mill, that's a stamping tool as well as a unit feeding the film substrate to the embossing unit, designed in such a way that that the feeding Unit in conveying direction of the film substrate in front of the stamping plant at least two of a thermally conductive material existing bodies, each having a homogeneously temperable surface, thus providing that the homogeneously temperable surfaces of both bodies are spaced apart opposite each other and overlap at least in a contiguous overlap area, and that at least one to be influenced Area of the film substrate in the overlap area between the surfaces through the afferent Unit feasible is.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die homogen temperierbaren Oberflächen der zumindest zwei wärmeleitenden Körper als Wärme- oder Kältequellen zur Erzeugung vorgebbarer Temperaturverhältnisse im Foliensubstrat eingesetzt. Die wärmeleitenden Körper werden dabei in der zuführenden Einheit vorzugsweise unmittelbar vor dem Prägewerk angeordnet, um Energieverluste und damit Temperaturänderungen des Foliensubstrats nach dessen Erwärmung bei der Beförderung in das Prägewerk weitgehend zu verhindern.at the device according to the invention become the homogeneous temperature surfaces of the at least two thermally conductive body as heat or refrigeration sources used to generate predeterminable temperature conditions in the film substrate. The thermally conductive body are doing in the afferent Unit preferably arranged immediately in front of the embossing unit to reduce energy losses and thus temperature changes of the film substrate after its heating during transportation in the stamping shop largely prevent.
Das Foliensubstrat wird berührungsfrei oder mit einseitig schlüssigem, wärmeleitenden Kontakt mit einer homogen temperierbaren Oberfläche zwischen den wärmeleitenden Körper geführt. Ein solcher schlüssiger Kontakt kann bspw. durch Vorsehen eines Unterdrucksystems realisiert werden, mit dem eine Foliensubstratoberfläche einseitig an die Oberfläche eines Körpers gesaugt wird. So wird auch eine Berührung des Foliensubstrats mit der Oberfläche des gegenüberliegenden Körpers verhindert.The Film substrate becomes non-contact or with one-sided, thermally conductive Contact with a homogeneously temperable surface between the heat-conducting body guided. Such a coherent one Contact can be realized, for example, by providing a vacuum system with a film substrate surface on one side to the surface of a body is sucked. So also a touch of the film substrate with the surface of the opposite body prevented.
Der Wärmeübergang zwischen einer homogen temperierbaren Oberfläche und der Foliensubstratoberfläche erfolgt durch Wärmestrahlung und/oder durch Wärmeleitung.Of the Heat transfer between a homogeneously temperable surface and the film substrate surface takes place by heat radiation and / or by heat conduction.
Für eine homogene Erwärmung oder Abkühlung der jeweiligen Foliensubstratoberflächen, d.h. zur Erzeugung einer flächenkonstanten Temperatur auf der Foliensubstratoberfläche, insbesondere auch für die Einstellung eines bestimmten flächeneinheitlichen Temperaturgradienten über die Foliensubstratdicke D, ist es erforderlich, dass die wärmeleitenden Körper und damit deren Oberflächen auf einer entsprechend vorgebbaren, flächenkonstanten Temperatur gehalten werden können. Hierfür wird vorzugsweise ein Temperiersystem vorgesehen, mit dem die sich gegenüberliegenden Körperoberflächen auf einer Seite bei einer Temperatur T1, und auf der anderen Seite bei einer Temperatur T2 temperierbar sind. Besonders geeignet für eine möglichst flexible Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Temperiersysteme, mit denen die jeweilige Körperoberfläche in einem Temperaturbereich von 0–250°C mit einer Genauigkeit von ± 0,1°K temperierbar ist.For a homogeneous heating or cooling of the respective film substrate surfaces, ie for generating a surface constant temperature on the film substrate surface, in particular for the setting of a certain area uniform temperature gradient over the film substrate thickness D, it is necessary that the heat-conducting body and thus their surfaces on a correspondingly predeterminable , surface constant temperature can be maintained. For this purpose, a tempering system is preferably provided, with which the opposing body surfaces can be tempered on one side at a temperature T 1 , and on the other side at a temperature T 2 . Temperature control systems with which the respective body surface can be tempered within a temperature range of 0-250 ° C. with an accuracy of ± 0.1 ° K are particularly suitable for the most flexible possible use of the device according to the invention.
Das Temperiersystem steuert die Zu- und Abfuhr von thermischer Energie zu bzw. von den wärmeleitenden Körpern und damit die Temperatur der homogen temperierbaren Oberflächen. Die thermische Energie wird den wärmeleitenden Körpern vorzugsweise in Form elektromagnetischer Strahlung, insbesondere als IR-Strahlung, vermittels induktiver Erwärmung, elektrischer Widerstandsheizung eines Wärmetauschers oder ein Kombination hieraus zugeführt. Zur gegebenenfalls erforderlichen Kühlung der Körper werden bekannte Wärmesenken eingesetzt.The Temperature control system controls the supply and removal of thermal energy to or from the heat-conducting bodies and thus the temperature of the homogeneously tempered surfaces. The thermal energy becomes the heat-conducting bodies preferably in the form of electromagnetic radiation, in particular as IR radiation, by means of inductive heating, electrical resistance heating of a heat exchanger or a combination fed from this. For possibly necessary cooling of the body are known heat sinks used.
Die Körper bestehen jeweils aus einem gut wärmeleitenden Material, bspw. aus Metall und/oder Graphit, um so in den Körpern und insbesondere auf deren Oberflächen einen schnellen Ausgleich von lokalen Temperaturschwankungen zu bewirken bzw. diese erst gar nicht auftreten zu lassen. Idealerweise weist eine homogen temperierbare Oberfläche im Betrieb stets eine flächenkonstante Oberflächentemperatur auf. Die Körper weisen weiterhin vorzugsweise eine Wärmekapazität auf, die größer ist als die Wärmekapazität des von den sich überlappenden Oberflächen eingeschlossenen Flächensubstrats. Dies bewirkt insbesondere, dass kurzfristige Schwankungen des Energieein- oder -austrages in oder aus den wärmeleitenden Körpern möglichst keine signifikante Temperaturänderung der homogen temperierbaren Oberflächen bewirkt. Durch das Temperiersystem, die gute Wärmeleitfähigkeit und die hohe Wärmkapazität der Körper kann somit die Oberflächentemperatur der Körper sehr genau flächenkonstant eingestellt und gehalten werden. Dadurch wird ein flächenkonstanter Wärmeenergieübertrag auf die Foliensubstratoberflächen gewährleistet.The body each consist of a good thermal conductivity Material, eg. Of metal and / or graphite, so in the bodies and especially on their surfaces a quick compensation of local temperature fluctuations cause or do not occur at all. Ideally a homogeneously tempered surface always has a surface constant during operation surface temperature on. The body Furthermore, they preferably have a heat capacity that is greater as the heat capacity of the enclosed by overlapping surfaces Surface substrate. This In particular, short-term fluctuations in the energy or -austrages in or out of the heat-conducting bodies as possible no significant temperature change the homogeneously tempered surfaces causes. Due to the tempering system, the good thermal conductivity and the high heat capacity of the body can thus the surface temperature the body very exact area constant be set and held. This becomes a surface constant Heat energy transfer on the film substrate surfaces guaranteed.
Die homogen temperierbaren Oberflächen sind weiterhin möglichst glatt, d.h. unstrukturiert, gestaltet. Sie überlappen sich vorzugsweise in einem Überlappungsbereich, der in Form und Größe wenigstens der Form und Größe des Prägebereiches des Prägewerkzeugs, d.h. eines Prägestempels oder einer Prägewalze, entspricht. Typischerweise überlappen sich die homogen temperierbaren Oberflächen vollständig. Der Abstand der sich überlappenden Oberflächen beträgt üblicherweise weniger als die hundertfache, vorzugsweise weniger als die zehnfache und besonders vorzugsweise weniger als die fünffache Foliensubstratdicke D. Vorteilhafterweise wird ein Mittel zur Einstellung eines vorgebbaren Abstandes zwischen den sich überlappenden homogen temperierbaren Oberflächen beider Körper vorgesehen. So kann die Vorrichtung flexibel und optimal auf die Verarbeitung unterschiedlich dicker Foliensubstrate eingestellt werden.The homogeneous temperature surfaces are still as smooth as possible, ie unstructured, designed. They preferably overlap in an overlapping area which corresponds in shape and size to at least the shape and size of the embossing area of the embossing tool, ie an embossing punch or an embossing roller. Typically, the homogeneously tempered surfaces completely overlap. The distance of the overlapping surfaces is usually less than a hundred times, preferably less than ten times and particularly preferably less than five times the film substrate thickness D. Advantageously, a means is provided for setting a predeterminable distance between the overlapping, homogeneously heatable surfaces of both bodies. Thus, the device can be flexibly and optimally adjusted to the processing of differently thick film substrates.
Die erfindungsgemäße Prägevorrichtung weist vorzugsweise als Prägewerkzeug eine Prägewalze auf und kann sowohl zum kontinuierlichen als auch zum zyklischen Prägen eingesetzt werden. Beim kontinuierlichen Prägen können dann, wie im Stand der Technik bei Prägevorrichtungen des Typs (b), hohe Stückzahlen von Foliensubstraten geprägt werden. Dazu müssen die Fördergeschwindigkeit des Foliensubstrats und die Temperatur der homogen temperierbaren Oberflächen derart aufeinander abgestimmt werden, dass im Foliensubstrat vor dem Prägevorgang die gewünschten Temperaturverhältnisse erzeugt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht dabei gegenüber dem Stand der Technik eine homogenere Erwärmung der Substratoberflächen. Zwar ergibt sich im kontinuierlichen Prägebetrieb auch ein gewisser Ausschuss in der Anlaufphase, allerdings ist dieser weitaus geringer als im Stand der Technik. Zudem ist die Regelung der Temperaturen von Folienober- und -unterseite sehr viel stabiler und reagiert weniger empfindlich auf äußere Einflüsse als im Stand der Technik. Dies liegt überwiegend an der großen Wärmekapazität der wärmeleitenden Körper gegenüber der zu prägenden Fläche. Daher wirken sich Schwankungen im Wärmeintrag in die Körper und damit auch in das Foliensubstrat geringer aus, als das bei einem üblicherweise durch Infrarotstrahler beheizten Foliensubstrat der Fall wäre.The inventive embossing device has preferably as a stamping tool an embossing roll and can be both continuous and cyclical Shape be used. When continuous embossing can then, as in the state of Technology for embossing devices of type (b), high volumes be characterized by film substrates. To do this the conveying speed of the Film substrate and the temperature of the homogeneously tempered surfaces such be coordinated with each other, that in the film substrate before the embossing process the desired temperature conditions be generated. The device according to the invention makes it possible across from the prior art, a more homogeneous heating of the substrate surfaces. Though results in the continuous embossing operation also a certain Committee in the start-up phase, but this is much lower as in the prior art. In addition, the regulation of the temperatures from film top and bottom much more stable and responsive less sensitive to external influences than in the prior art. This is mainly due to the large heat capacity of the heat-conducting body across from the area to be embossed. Therefore Fluctuations in heat input have an effect in the body and thus also in the film substrate lower than that in a conventional infrared substrate heated film substrate would be the case.
In vorteilhafter Weise eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung für einen zyklischen Prägebetrieb. Hier wird das zu prägende Foliensubstrat zwischen die wärmeleitenden Körper gefördert und verweilt dort. Schon nach kurzer Verweilzeit nehmen die Foliensubstratoberflächen die Temperaturen der ihnen direkt gegenüberliegenden homogen temperierbaren Oberflächen an und über die Foliendicke baut sich ein entsprechender Temperaturgradient auf. Somit kann das betreffende Foliensubstratstück ohne Schaden zu nehmen auch länger zwischen den Körpern verweilen. Die dabei erzielbaren Zykluszeiten können ja nach verwendetem Foliensubstrat bis auf die Größenordnung einer Sekunde reduziert werden, was gegenüber dem Stand der Technik die Zykluszeit bis auf ein Sechshundertstel (1/600) der bisher typischen Zykluszeit für planares Heißprägen verringert. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bei einem zyklischen Betrieb nicht auf Foliensubstratgrößen von ca. 100 cm2 begrenzt, sondern kann Foliensubstrate mit einer Folienbreite von einigen Metern verarbeiten.Advantageously, the device according to the invention is suitable for a cyclic embossing operation. Here, the film substrate to be embossed is conveyed between the heat-conducting bodies and lingers there. After just a short residence time, the film substrate surfaces take on the temperatures of their directly opposite, homogeneously temperature-controllable surfaces, and a corresponding temperature gradient builds up over the film thickness. Thus, without taking damage, the film substrate piece in question can also stay between the bodies for longer. The achievable cycle times can indeed be reduced by the film substrate used to the order of one second, which compared to the prior art reduces the cycle time to a six hundredths (1/600) of the hitherto typical cycle time for planar hot stamping. Furthermore, the device according to the invention is not limited to film substrate sizes of about 100 cm 2 in a cyclic operation, but can process film substrates with a film width of a few meters.
Im einfachsten Fall sieht die Vorrichtung zwei sich gegenüberliegende Körper mit jeweils einer zweidimensionalen, rechtwinkligen, homogen temperierbaren Oberfläche vor. Die Körper sind vorzugsweise in Form einer Platte mit einer Breite X, einer Länge Y und einer Dicke Z ausgeführt. Die Breite der Heizplatten ist dabei mindestens so groß wie die Breite des zu prägenden Foliensubstrats. Sie sollte vorzugsweise sogar breiter sein als das Foliensubstrat, um jeweils eine flächenkonstante Temperatur an der Foliensubstratoberseite und -unterseite zu gewährleisten. Die Länge der Heizplatten sollte weiterhin mindestens so groß sein wie der Umfang der Prägewalze. Größere Längen sind ebenfalls möglich und erhöhen die Länge des während eines Zyklus prägbaren Foliensubstratstücks. Die Dicke der Heizplatte ist stets so zu wählen, dass die Wärmekapazität der Heizplatten deutlich über der Wärmekapazität des zwischen den Heizplatten befindlichen Foliensubstratstücks liegt. In Versuchen hat sich gezeigt, dass sich hierfür insbesondere Metallplatten (Heizplatten) mit einer Plattendicke Z von mehr als 1 mm, vorzugsweise mehr als 5 mm eignen.in the In the simplest case, the device sees two opposite ones body each with a two-dimensional, rectangular, homogeneously tempered surface in front. The body are preferably in the form of a plate having a width X, a length Y and a thickness Z executed. The width of the heating plates is at least as large as the width of the to be embossed Film substrate. It should preferably be even wider than the film substrate, each to a surface constant temperature at the To ensure film substrate top and bottom. The length of the Heating plates should continue to be at least as large as the circumference of the embossing roller. Larger lengths are also possible and increase the length during the of a cycle imprintable Film substrate piece. The thickness of the hotplate should always be selected so that the heat capacity of the hotplates is clearly above that Heat capacity of between located on the heating plates lying Folieniensatstücks. In trials has it turned out that for this in particular metal plates (heating plates) with a plate thickness Z of more than 1 mm, preferably more than 5 mm are suitable.
Die homogen temperierbaren Oberflächen können grundsätzlich auch eine gegenkonturierte dreidimensionale Oberflächenkontur aufweisen. Vorzugsweise eignet sich hierfür die Zylinderform. Eine vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich daher dadurch aus, dass eine erste der sich überlappenden Oberflächen einer Zylindermantelaußenfläche eines ersten Zylinders mit einem Zylinderdurchmesser D1 oder eines Teils einer ebensolchen entspricht, und das eine zweite der sich überlappenden Oberflächen einem Teil einer Zylindermantelinnenfläche eines zweiten Zylinders mit einem Zylinderdurchmesser D2 entspricht, wobei D1 < D2 gilt.The homogeneously temperature-controllable surfaces can in principle also have a counter-contoured three-dimensional surface contour. Preferably, the cylindrical shape is suitable for this purpose. An advantageous embodiment is therefore characterized in that a first of the overlapping surfaces of a cylinder shell outer surface of a first cylinder with a cylinder diameter D 1 or a part of just one, and a second of the overlapping surfaces of a part of a cylinder jacket inner surface of a second cylinder with a Cylinder diameter D 2 corresponds, where D 1 <D 2 applies.
Das Foliensubstrat wird dabei in schlüssigem Kontakt über die Zylindermantelaußenfläche des ersten Zylinders geführt. Die Zylindermantelaußenfläche des ersten Zylinders wird durch ein Temperiersystem auf einer Temperatur unterlhalb der Glasübergangstemperatur des Foliensubstrats, die Zylindermatelinnenfläche des zweiten Zylinders wird auf einer Temperatur über der Glasübergangstemperatur gehalten. Dadurch erhält das Foliensubstrat nur auf seiner der Zylindermantelinnenfläche des zweiten Zylinders direkt gegenüberliegenden Oberfläche in der zu prägenden Tiefe die erforderliche optimale Prägetemperatur, während die an dem inneren Zylinder anliegende Foliensubstratoberfläche bei einer Temperatur unterhalb der Glasübergangstemperatur mechanisch stabil bleibt. Der erste Zylinder ist vorzugsweise als rotierende Walze ausgebildet.The The film substrate becomes in conclusive contact over the Cylinder shell outer surface of the first cylinder out. The outer cylinder surface of the The first cylinder is heated by a temperature control system below the glass transition temperature of the film substrate, the cylinder inner surface of the second cylinder becomes a temperature above the glass transition temperature held. This preserves the film substrate only on its the cylinder jacket inner surface of the second cylinder directly opposite Surface in the one to be shaped Depth the required optimum embossing temperature, while the attached to the inner cylinder film substrate surface at a temperature below the glass transition temperature mechanically remains stable. The first cylinder is preferably as a rotating Roller formed.
Wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Foliensubstrat ein aus zumindest zwei Einzelfolien mit unterschiedlichen Glasübergangstemperaturen bestehendes Folienlaminat verwendet, so lässt der Verzug beim Heißprägen speziell von Mikrostrukturen verbessern, d.h. verringern. Die zu prägende Einzelfolie wird hierzu auf eine Folie mit größerer Temperaturbeständigkeit und Verzugsfreiheit auflaminiert (Trägerfolie). Als Trägerfolien können neben Polymerfolien auch Folien anderer Materialien, bspw. Kovar oder Invar, eingesetzt werden, deren Ausdehnungskoeffizient minimal ist.Is in the device according to the invention used as a film substrate consisting of at least two individual sheets with different glass transition temperatures film laminate, so can the distortion during hot stamping, especially of microstructures improve, ie reduce. For this purpose, the individual film to be embossed is laminated onto a film with greater temperature resistance and freedom from distortion (carrier film). In addition to polymer films, films of other materials, for example Kovar or Invar, whose coefficient of expansion is minimal, can also be used as carrier films.
Die Erfindung beschreibt somit eine Heißprägevorrichtung, mit der sowohl hohe als auch geringe Stückzahlen geprägter Produkte wirtschaftlich in hoher Qualität herstellbar sind. Ein Ausschuss fällt, im Gegensatz zum Stand der Technik, nur in vernachlässigbarer Menge an. Der apparative Steueraufwand der Prägevorrichtung ist deutlich geringer als bei bekannten rotativen Heißprägevorrichtungen. Zusätzlich ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die Einstellung eines großen Temperaturgradienten über die Foliensubstratdicke D (abhängig von D: 1–100°K) und gegenüber dem Stand der Technik eine höhere Prägequalität.The The invention thus describes a hot stamping device with which both high as well as low quantities embossed Products can be produced economically in high quality. A committee falls unlike the prior art, only negligible Amount of. The apparative tax expense of the embossing device is clear less than in known rotary hot stamping devices. In addition, the inventive device the setting of a big one Temperature gradient over the film substrate thickness D (depending from D: 1-100 ° K) and to the Prior art, a higher Embossing quality.
Kurze Beschreibung der ErfindungShort description the invention
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die eine Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:The Invention will be described below without limiting the general inventive concept an embodiment described by way of example with reference to the one drawing. It shows:
Das
Foliensubstrat
Der
Temperaturunterschied zwischen den beiden sich gegenüberstehenden
Heizplatten
Idealerweise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht zum kontinuierlichen sondern zum zyklischen Heißprägen eingesetzt. Der Heißprägeprozess läuft folgendermaßen ab:
- – Heizplatte
10 auf eine Temperatur T1 oberhalb der Glasübergangstemperatur Tg der zu prägenden Folie erwärmen und mittels Regelung konstant halten, - – Heizplatte
9 auf eine Temperatur T2 < Tg erwärmen bzw. kühlen und mittels Regelung konstant halten, - – Foliensubstrat
1 zwischen die beiden Heizplatten9 ,10 führen und den Folienanfang zwischen Prägewalze3 und Gegenwalze4 einführen, - – Foliensubstrat für eine kurze Verweilzeit zwischen den Heizplatten belassen,
- – gesamtes
zwischen den Heizplatten
9 ,10 befindliches Foliensubstrat, bzw. ein Foliensubstratstück dessen Länge dem Umfang der Prägewalze entspricht, mit gleichmäßiger Prägegeschwindigkeit prägen. Dabei wird ein neuer Abschnitt des quasi Endlosfoliensubstrats zwischen die Heizplatten gezogen. Bereits nach kurzer Verweilzeit ist dieses Folienstück auf die Solltemperatur aufgeheizt und kann durch ein Weiterdrehen der Prägewalze geprägt werden.
- - heating plate
10 heat to a temperature T 1 above the glass transition temperature T g of the film to be embossed and keep it constant by means of regulation, - - heating plate
9 heat or cool to a temperature T 2 <T g and keep it constant by means of regulation, - - film substrate
1 between the two heating plates9 .10 lead and the beginning of film between embossing roll3 and counter roll4 introduce, - Leave the foil substrate for a short residence time between the heating plates,
- - entire between the heating plates
9 .10 present film substrate, or a film substrate piece whose length corresponds to the circumference of the embossing roll, embossing with uniform embossing speed. In this case, a new section of the quasi endless foil substrate is drawn between the heating plates. After a short residence time, this piece of film is heated to the desired temperature and can be embossed by further rotation of the embossing roller.
Die Zykluszeit eines Prägezyklus kann dabei je nach verwendetem Foliensubstrat im Bereich von ca. 1 Sekunde liegen.The Cycle time of a stamping cycle depending on the used film substrate in the range of approx. 1 second lie.
Durch
den Einsatz längerer
Heizplatten bzw. durch das Vorheizen der Prägefolie auf eine Temperatur
etwas unterhalb der Glasübergangstemperatur mittels
der beheizten Umlenkwalze
Im
Folgenden soll nunmehr zu der Ausführungsform nach
Dabei
wird eine Heißprägevorrichtung
gemäß
- 11
- Foliensubstrat bereitgestellt bspw. von einer Rollefoil substrate provided, for example, from a roll
- 22
- Prägewerkstamping
- 33
- Prägewalzeembossing roller
- 44
- Gegenwalzebacking roll
- 55
- Erste UmlenkwalzeFirst deflecting
- 66
- IR-StrahlerIR emitters
- 77
- Zweite UmlenkwalzeSecond deflecting
- 88th
- Dritte Umlenkwalzethird deflecting
- 9, 109 10
- Wärmeleitender Körper, Heizplattethermally conductive Body, heating plate
- 1111
- Homogen temperierbare Oberflächehomogeneously temperature-controlled surface
Claims (23)
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DE200610012960 DE102006012960A1 (en) | 2006-03-21 | 2006-03-21 | Device for embossing foil substrates for production of components in the areas of micro fluidics, biotechnology, medicine and chemistry, comprises an embossing roll, heat conducting bodies and homogeneous temperable surfaces |
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ID=38438249
Family Applications (1)
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DE200610012960 Ceased DE102006012960A1 (en) | 2006-03-21 | 2006-03-21 | Device for embossing foil substrates for production of components in the areas of micro fluidics, biotechnology, medicine and chemistry, comprises an embossing roll, heat conducting bodies and homogeneous temperable surfaces |
Country Status (1)
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