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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum plastischen
Umformen eines Werkstücks, das über eine Anpressvorrichtung
auf das Werkstück einwirkt sowie Mittel zum Temperieren
des Werkzeugs, gemäß des Patentanspruchs 1 bzw.
11.
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Vorrichtungen
zur plastischen Umformung von Werkstücken dienen insbesondere
dem Prägen und Walzen duktiler Werkstoffe. Bei diesen Technologien
verformt sich das Werkstück plastisch unter mechanischer
Einwirkung des Werkzeuges. Die Technologien sind seit geraumer Zeit
allgemein bekannt.
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Vergleichweise
neu und wenig verbreitet sind derartige Umformverfahren, bei denen
das Umformwerkzeug temperiert, d. h. in der Regel aufgewärmt
wird. Beispielsweise dienen Heißprägeverfahren
der Einprägung von Strukturen bei erhöhter Temperatur
in Werkstücken aus einem Material, die anstelle eines definierten
Schmelzpunkt einen Temperaturbereich aufweisen, in dem oberhalb
eines Erweichungspunktes ein ausgeprägtes viskoelastisches Materialverhalten
auftritt.
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Beim
Heißprägevorgang wird die Oberfläche des
Werkstücks während des Eindrückens des
Heißprägewerkzeugs mit einem Prägehub
in einer vorgegebenen Prägerichtung auf eine Temperatur
oberhalb dieses Erweichungspunktes des Werkstückmaterials
aufgeheizt. Dazu muss zumindest die einzuprägende Negativstruktur
auf dem Heißprägewerkzeug erwärmt werden.
Das Heißprägeverfahren eignet sich zur Strukturierung
insbesondere von thermoplastischen Kunststoffen oder Gläsern,
nicht aber für Metalle, die einen definierten Schmelzpunkt
anstelle eines Schmelzbereiches aufweisen.
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Heißprägeverfahren
eignen sich im Gegensatz zu untemperierten Prägeverfahren
vor allem zum Abformen auch höherer Strukturen. Jedoch
ist zur Vermeidung von Beschädigungen am Werkstück die
Entformung sehr aufwendig. Insbesondere eine exakte Führung
der beiden Teile des Heißprägewerkzeugs unbedingt
in Prägerichtung einerseits und eine Abkühlung
des Werkstücks auf eine Temperatur unterhalb des Erweichungspunkts
andererseits stellen einen erheblichen Mehraufwand gegenüber
dem klassischen Prägen dar. Vor allem Wärmekapazitäten
von Werkzeug und Werkstück einerseits und bedingten thermischen
Trägheiten verlängern die Stücklaufzeiten
pro Erzeugnis signifikant. Zudem erfolgt der eigentliche Prägevorgang
zur Vermeidung Fehlprägungen aufgrund von Lufteinschlüssen
zwischen Werkstück und Heißprägewerkzeug
vorzugsweise im Vakuum.
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Für
die Serienfertigung von Mikrobauteilen oder Halbzeugen aus Kunststoff
oder mit einer Kunststoffmatrix wie z. B. Sintergrünkörper
ist das Heißprägen dennoch prädestiniert.
Es ermöglicht die automatisierbare Mikrostrukturierung
sehr vieler ebener Komponenten auf einer oder beiden Seiten. Der Einsatz
mehrschichtiger Halbzeuge erweitert das Einsatzspektrum zusätzlich,
beispielsweise durch die Integration metallischer Leiterbahnen in
Mikrostrukturen.
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Der
besondere Vorteil des Heißprägens liegt in der
hohen Fertigungsgüte. Der apparative Aufwand hält
sich in Grenzen, da oftmals kommerziell erhältliches Equipment
wie Prüfmaschinen oder Pressen eingesetzt werden kann,
das für die Aufgabe aufgerüstet wurde. Eine individuelle
Anpassung der Systemparameter ist jedoch zwingend erforderlich.
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Ideale
Anwendungen finden sich in der Herstellung von Bauteilen oder Komponenten
beispielsweise der Elektro- oder Nachrichtentechnik, der Medizintechnik
oder Mess- und Regeltechnik beziehungsweise Automatisierung.
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In
der
DE 199 24 005
A1 wird beispielhaft ein Prägeverfahren zur Herstellung
von Mikrostrukturkörpern offenbart, bei ein aufgewärmtes
Prägewerkzeug in eine Kunststoffschicht eingedrückt
wird. Nachteilig sind auch hier die systembedingt langen Aufheiz-
und Abkühlungszeiten, die insbesondere bei der Strukturierung
größerer Stückzahlen eine Einschränkung
darstellen.
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Aus
diesem Grund wird in der
DE
102 56 059 A1 ein Heißprägewerkzeug für
schnellere Aufzeiz- und Abkühlungszeiten offenbart, bei
dem je ein oberes und ein unteres Abformwerkzeuge in einem Stammwerkzeug
geführt sind. Wesentliches Merkmal an diesem Werkzeug ist
die selektive Aufheizbarkeit der Abformwerkzeuge, die als eigenständige Komponente
thermisch von den übrigen Komponenten, insbesondere von
dem als Belastungsstempel dienenden Stammwerkzeug, des Heißprägewerkzeuges
getrennt sind. Die thermische Trennung erfolgt durch einen Luftspalt
zwischen Abformwerkzeug und Stammwerkzeug, welcher nur in einem
relativ kurzen Zeitabschnitt während eines Heißprägevorganges
zur Übertragung einer Prägekraft vom Stammwerkzeug
auf das Abformwerkzeug geschlossen ist. Die Prägekraft
bewirkt nämlich ein Zusammendrücken des Luftspaltes
und damit eine temporäre Überbrückung
der thermischen Trennung. Größere Teile der im
Abformwerkzeug gespeicherten Wärmemenge fließen
folglich in diesem relativ kurzen Zeitabschnitt unisoliert in Richtung
des Stammwerkzeug ab.
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Das
Prägewerkzeug ist jedoch nicht am Belastungsstempel oder
am Stammwerkzeug fixiert und weist Passungsspieltoleranzen auf.
Außerdem liegt das Prägewerkzeug beim Prägen
zunächst für einen bestimmten Zeitraum ohne Belastung
auf dem Werkstück auf und überträgt erst
zeitversetzt nach einem Schließen des Luftspaltes durch
die Belastungsstempel eine Kraft.
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Ein
dem Heißprägeverfahren artverwandtes plastisches
Umformverfahren ist das Warmwalzverfahren, bei dem eine zylinderförmige
temperierte Walze auf dem sich dabei plastisch verformenden Werkstück
abgerollt wird. Dabei lassen sich auch Strukturierungen auf die
Werkstückoberfläche einwalzen. Auch hier besteht
der Wunsch, das Werkstück und das Werkzeug vor einer Entformung
der Strukturen lokal unter den Erweichungspunkt des Werkstoffmaterials
abzukühlen. Auch hier schränken die Wärmekapazitäten und
die thermischen Trägheiten die Strukturierungsgeschwindigkeit
ein.
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Ausgehend
davon liegt die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung und
ein Verfahren zum plastischen Umformen eines Werkstückes
bei erhöhter Temperatur vorzuschlagen, welches für
einen hohen Werkstückdurchsatz konzipiert ist und die vorgenannten
Einschränkungen nicht aufweist.
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Die
Aufgabe wird mit einer Vorrichtung und einem Verfahren mit den Merkmalen
aus Anspruch 1 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Die
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum plastischen Umformen eines
Werkstücks, umfassend ein Werkzeug, das über eine
Anpressvorrichtung auf das Werkstück einwirkt sowie Mittel
zum Temperieren des Werkzeugs gelöst. Das Werkzeug ist
dabei grundsätzlich ein Prägewerkzeug für
eine lineare Prägehubbewegung, ein Walzwerkzeug für
einen abrollenden Prägevorgang oder auch andere Werkzeuge
für plastische und nicht stoßende Verformung.
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Wesentlich
bei der Vorrichtung ist, dass die Mittel mindestens ein Temperaturtransferelement
mit mindestens einem warmen und mindestens einem kalten Bereich
umfassen. Dabei sind je nach Ausführungsform entweder jeweils
warme und kalte Bereiche, nur warme oder nur kalte Bereiche auf
einem Temperaturtransferelement angeordnet. Die Temperaturtransferelemente
weisen eine thermische Anbindung an das Werkzeug auf, wobei Schaltpositionen vorgesehen
sind, bei der jeweils nur kalte oder nur warme Bereiche thermisch
an das Werkzeug angebunden sind. Zwischen diesen Schaltpositionen
ist das oder die Temperaturtransferelemente hin- und herschaltbar,
wobei entweder mindestens ein kalter Bereich oder ein warmer Bereich
die Temperatur des Werkzeugs maßgeblich beeinflusst.
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Es
liegt im Rahmen der Erfindung, wenn die kalten und warmen Bereiche
nicht nur zwei verschiedene, d. h. eine warme und eine kalte Temperaturen, sondern
auch mehr als zwei Temperaturen einnehmen, wobei jedoch jeder Bereich
nur für eine Temperatur vorgesehen ist. Ebenso liegt im
Rahmen der Erfindung, die Bereiche miteinander zu verzahnen und somit
fließende Übergänge zwischen den Bereichen zu
schaffen. Die Temperaturen der kalten Bereiche liegen unterhalb
und die der warmen Bereiche grundsätzlich oberhalb der
Erweichungstemperatur des zu verformenden Werkstücks.
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Die
Bereiche des Temperaturtransferelements weisen jeweils eine vorzugsweise
eigene Temperierung auf. In einer Ausführungsform sind
diese im jeweiligen Bereich integriert, wie z. B. Heizelemente oder
Kühlkreisläufe. In einer weiteren Ausführungsform
werden die Bereiche von außen durch an die Bereiche angesetzte
separate Heiz- oder Kühlelemente temperiert, vorzugsweise
in den Schaltstellungen, in die zu temperierenden Bereiche nicht
mit dem Werkzeug in Kontakt stehen.
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Das
Temperaturtransferelement ist entweder monolithisch oder aus verschiedenen
Teilkomponenten zusammengesetzt, wobei die Teilkomponenten nicht
zwingend fest miteinander verbunden sein müssen, jedoch
bevorzugt mechanisch aneinander gekoppelt sind und gemeinsam bewegbar
sind. Bevorzugt ist der Aufbau mit Teilkomponenten, wobei bevorzugt
die Teilkomponenten je einen Bereich bilden und zur Reduzierung
von Wärmeverlusten bevorzugt gegenseitig durch Isolierschichten
getrennt sind.
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Die
thermische Anbindung beeinflusst direkt die Wärmeübertragung
zwischen Temperaturtransferelement und Werkzeug. Sie erfolgt über
ein flächiges Anliegen des Werkzeugs an die jeweiligen
wärmeübertragenden Bereiche des Temperaturtransferelements über
eine Kontaktfläche. Vorzugsweise wird das flächige
Anliegen und damit eine verbesserte Wärmeübertragung über
eine Flächenpressung mittels Anpressmittel wie Federelemente
unterstützt. Eine schnelle Wärmeübertragung
wird durch eine möglichst große Kontaktfläche
oder durch eine gegenseitig ver schiebbare Strukturierung der Kontaktfläche
wie ineinander greifende Längsrippen weiter verbessert.
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Zur
Erzielung einer fehlerfreien Strukturierung im Werkstück
ist es vorteilhaft, über die gesamte Präge- oder
Verformungsfläche auf der Werkstoffoberfläche
identische Parameter (Prägedruck, Temperatur) einzustellen.
Folglich ist das Werkzeug in seiner das Werkstück bearbeitenden
aktiven Werkzeugoberfläche (Prägestempelfläche,
Walzrollenmantelfläche) gleichmäßig zu
temperieren. Folglich erstreckt sich die Kontaktfläche
zwischen Werkzeug und Temperaturtransferelement bevorzugt über
die gesamte und weiter bevorzugt parallel zur aktiven Werkzeugoberfläche.
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Die
mechanische Bewegbarkeit des Temperaturtransferelements im Werkzeug
wird Reibungsmindernde Stoffe wie Schmiermittel verbessert. Vorzugsweise
werden als Schmiermittel eine Wärmeübertragung
fördernden Wärmeleitpasten vorgesehen.
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Für
einen schnellen Temperaturwechsel ist es vorteilhaft, wenn die Wärmekapazität
der jeweilig wärmeübertragenden Bereiche die des
Werkzeugs übersteigt, bevorzugt um mindestens um das Doppelte
oder weiter bevorzugt das Dreifache, noch weiter bevorzugt das 10-fache.
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Das
Besondere ist die mechanische Bewegbarkeit des Temperaturtransferelements
im Werkzeug, wobei neben den Wärmekapazitäten
und der thermischen Anbindung auch die Geschwindigkeit der Bewegung
zwischen den Schaltstellungen die Aufheiz- und Abkühlungsgeschwindigkeiten
mit beeinflusst.
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Im
Rahmen der Erfindung wird nicht mehr das gesamte Werkzeugsystem
im Zyklus erwärmt und abgekühlt, sondern vorzugsweise
nur noch der unmittelbare Bereich um die Prägefläche
oder Abrollfläche des Werkzeugs, d. h. nur eine geringe
Masse mit einer möglichst kleinen Wärmekapazität.
Wesentlich ist, dass die Masse des Werkzeugteils, der zyklisch seine
Temperatur ändert, ge genüber herkömmlichen
Werkzeugaufbau wesentlich verringert ist. Dadurch lassen sich wesentlich
verringerte und wirtschaftliche Prozesszeiten erzielen.
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Wesentliche
Vorteile sind reduzierte Prozesszeiten für Massengutfertigung
bei gleichzeitig geringerem Energiebedarf für die Temperaturwechsel
sowie das Erzielen von Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeiten,
die mit herkömmlicher Prozesstechnik kaum beherrschbar
oder überhaupt realisierbar sind.
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Grundsätzlich
ist ein Werkstück im Rahmen der Erfindung nicht nur von
einer Seite, sondern auch von mehreren, bei Walz- oder Prägevorgängen
vorzugsweise von zwei gegenüberliegenden Seiten mit je
einem Werkzeug gemäß der Erfindung plastisch verformbar.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
des Temperaturtransferelements und Figuren näher erläutert.
Es zeigen
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1a bis
d eine erste Ausführungsform mit einem lateral verschiebbaren
quaderförmigen Temperaturtransferelement mit einem warmen
und einem kalten Bereich in zwei Schaltstellungen (a und b),
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2a bis
c zwei weitere Ausführungsformen mit je einem zylinderförmigen
drehbaren Temperaturtransferelement mit einem warmen und einem kalten
Bereich,
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3a bis
c weitere mögliche Ausführungsformen quaderförmiger
Temperaturtransferelemente,
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4 eine
weitere mögliche Ausführungsform eines zylindrischen
Temperaturtransferelements,
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5 beispielhaft
für ein Temperaturtransferelement, umfassend zwei mechanisch
gekoppelt bewegbare Teilkomponenten,
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6a bis
d Ausführungsformen mit mehreren parallel lateral verschiebbar
angeordneten quaderförmigen Temperaturtransferelementen
sowie
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7a bis
g verschiedene Positionen eines sog. Step- und Repeat-Warmwalzverfahrens
zum schrittweisen Warmwalzen eines folienförmigen Werkstücks.
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Die
erste Ausführungsform gemäß 1a bis
d zeigt ein Heißprägewerkzeug 1 mit Durchgangsöffnung 6,
in der ein in dieser lateral verschiebbares riegelförmiges,
im Beispiel quaderförmiges Temperaturtransferelement 2 mit
einem warmen und einem kalten Bereich 3 bzw. 4 verschiebbar
(Bewegungspfeil 5) eingesetzt ist. Das Werkzeug wird von oben
mittels einer Anpressvorrichtung 7 mit einer Kraft 8 beaufschlagt
und damit mit der das Werkstück bearbeitenden aktiven Werkzeugoberfläche,
d. h. der strukturierten Prägestempelfläche 9 in
das Werkstück 10 eingedrückt (vgl. 1a).
Dabei befindet sich der warme Bereich 3 des Temperaturtransferelements
in der Durchgangsöffnung und gibt in dieser Schaltstellung
dort eine Wärmemenge an das Werkzeug 1 ab. 1b gibt
eine zweite Schaltstellung mit dem kalten Bereich 4 des
Temperaturtransferelements in der Durchgangsöffnung wieder.
Der kalte Bereich entzieht dabei dem Werkzeug 1 und damit den
eingeprägten Strukturen im Werkstück 10 Wärme.
Das Werkzeug kann von der Werkstückoberfläche
abgehoben werden. Die laterale Ausdehnung der Prägestempelfläche 9 entspricht
im Ausführungsbeispiel der Erstreckung des Temperaturtransferelements
im Werkzeug 1.
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Eine
in 1d dargestellte gemeinsame und ineinander greifende
Längsrippung 11 der Durchgangsöffnung 6 und
des Temperaturtransferelements 2, eine auf der gegenüberliegenden
oberen Seite der Durchgangsöffnung wärmeisolierende
und elastische Einlegegleitbahn 12, seitliche Luftspalte 13 zwischen
Temperaturtransferelement 2 und Werkzeug 1 sowie
eine möglichst geringe Werkzeugmasse zwischen Prägestempelfläche
und Durchgangs öffnung fördert eine gute thermische
Anbindung zwischen Temperaturtransferelement 2 und Prägestempelfläche 9 und
ermöglicht vorteilhaft eine Anhebung der maximal erzielbaren
Thermozyklenzahl. Vorzugsweise aber nicht zwingend werden über
das Temperaturtransferelement keine mechanischen Kräfte übertragen,
d. h. es ist kein Prägekräfte übertragendes
Glied in der Kraftübertragungskette zwischen Werkstück und
Belastungseinheit für die Vorrichtung.
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Ein
zylinderförmiges Temperaturtransferelement 2,
eingesetzt als Achse in eine Warmwalzrolle 14, zeigt 2a.
Die Trennung zwischen warmen und kalten Bereich 3 bzw. 4 trennt
das Temperaturtransferelement in zwei Zylinderhälften,
die jeweils eine Wärmemenge über die Warmwalzrolle 14 an
die Walzrollenmantelfläche 15 weiterleiten.
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2b zeigt
vereinfacht und schematisch mit einer Anordnung zum kontinuierlichen
Strukturieren einer Kunststofffolie 16 eine mögliche
Einsatzkonstellation für dieses Ausführungsbeispiel.
Die Kunststofffolie 16 wird zunächst zwischen
der von dem warmen Bereich 3 aufgewärmten Walzrollenmantelfläche 14 (Drehrichtung 20)
und einer ersten Stützrolle 17 in Vorschubrichtung 18 eingezogen
und zwischen diesen warmverformt (strukturiert oder unstrukturiert).
Die Folie verbleibt auf der sich in Drehrichtung 20 mitdrehenden
Walzrollenmantelfläche, bis diese in den Einflussbereich
des kalten Bereichs 4 gerät. Die Entfernung der
Folie von der Walzrollenmantelfläche 15 erfolgt
erst nach der Abkühlung dieser über eine zweite
Stützrolle 19.
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Eine
weitere beispielhafte Ausführungsform mit zylinderförmigen
Temperaturtransferelement 2 mit je einem halbzylinderförmigen
kalten und warmen Bereich 4 bzw. 3 zeigt 2c.
Das Temperaturtransferelement ist als zylinderförmige Scheibe
in einer Aussparung 21 eines Heißprägewerkzeugs
eingeschoben und dort drehbar gelagert, wobei die warmen und kalten
Bereiche in dieser Aussparung im Wechsel auf das Werkzeug einwirken.
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Während 1 und 2 jeweils
Temperaturtransferelemente mit je einem warmen und einem kalten
Bereich zeigen, geben 3a bis c, 4 sowie 6 entsprechende Elemente mit einer Vielzahl von
warmen und kalten Bereichen oder einer besonderen Gestaltung der
Trennung zwischen warmen und kalten Bereichen wieder.
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3a bis
c zeigen quaderförmige Temperaturtransferelemente als Alternativen
für die in 1a bis d dargestellte einfache
Ausführungsform.
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3a zeigt
ein quaderförmiges Temperaturtransferelement mit einer
Vielzahl sich abwechselnder warmen und kalten Bereichen 3 bzw. 4,
die für die Erzeugung von Temperaturzyklen in einem Werkzeug
auch kontinuierlich und schrittweise durch die Durchgangsöffnung
des Werkzeugs geschoben werden. Es liegt im Rahmen der Erfindung,
diese Ausführungsform auch als umlaufenden Ring zu gestalten,
der als Endlosbalken durch die Durchgangsöffnung durchläuft.
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3b zeigt
die Ausführungsform gemäß 3a,
wobei die bereiche untereinander durch Isolierschichten 22 thermisch
voneinander getrennt sind.
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Es
liegt grundsätzlich bei allen Ausführungsformen
im Rahmen der Erfindung, die Bereiche 3 und 4 auch
mit mehr als zwei Temperaturen zu beaufschlagen. Insbesondere lassen
sich durch eine Vielzahl von hintereinander angeordneten Bereichen
individuelle Temperaturführungen sowie Aufheiz- oder Abschreckraten
beeinflussen oder einstellen.
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Alternativ
kann auch anstelle eines diskreten ein kontinuierlicher Übergang
zwischen zwei Bereichen hergestellt werden, wenn man die zwei Bereiche 3 und 4 miteinander
verzahnt (vgl. 3c). Im vorliegenden Beispiel
trennt die Verzahnung 23 zwei voneinander getrennte Teilkomponenten,
wobei jedes dieser Teilelemente eine Bereich darstellt.
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Ebenso
lässt sich das in 2c gezeigte
zylindrische Temperaturtransferelement 2 in eine Vielzahl
von zylindersegmentförmigen Bereichen 3 und 4 unterteilen
(vgl. 4).
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5 gibt
eine Ausführungsform eines Temperaturtransferelements wieder,
das zwei miteinander gekoppelt um je eine eigene Achse 24 drehbare, aber
komplett voneinander getrennte propellerförmige Teilkomponenten 23 umfasst.
Jede Teilkomponente weist zwei gleichartige Bereiche 3 (warm)
oder 4 (kalt) auf, wobei jeweils warme und kalte Bereiche im
Wechsel in eine Werkzeug 1 eingeschwenkt werden.
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6a bis
d zeigen dagegen Ausführungsformen für eine beidseitige
Temperierung eines plattenförmigen Werkstücks 24 auf
einer unteren Auflage 25 in verschiedenen Ansichten und
Betriebszuständen. Die untere Auflage ist als solche durch
eine Vielzahl vorzugsweise gleichartiger stangenförmigen Temperaturtransferelemente 31 temperierbar,
die auf einer Isolierschicht 26 unter der unteren Auflage 25 axial
einschiebbar sind. Von oben wird das Werkstück 24 von
einer um ein zylinderförmiges Temperaturtransferelement
drehbar abrollenden Warmwalzrolle 14 (vgl. 2a)
strukturiert, wobei das Temperaturtransferelement eine axial (vgl. 6a)
oder eine radial (vgl. 6b bis d) verlaufende Trennung zwischen
einem kalten und einem warmen Bereich 4 bzw. 3 aufweist.
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Jedes
der stangenförmigen Temperaturtransferelemente weist vorzugsweise
einen kalten oder warmen Bereich 4 bzw. 3 auf
(vgl. z. B. 6c und d), die radial voneinander
getrennt sind (vgl. 1a und b). Durch diese stangenförmigen
Temperaturtransferelemente wird die untere Auflage 25 sowie
das aufliegende Werkstück 24 von unten lokal temperiert,
wobei die jeweils nicht einwirkenden warmen und kalten Bereiche 3 bzw. 4 in
eine Wärme- oder Kühlzone 29 bzw. 30 eingeschoben
sind und temperiert werden.
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Alternativ
weist das Temperaturtransferelement nur einen Bereich auf, der alternierend
als warmer oder kalter Bereich nutzbar ist. Diese Ausführungsform
eignet insbesondere dann, wenn nur die Aufheizung oder nur die Abkühlung
zwangsgeführt werden muss, aber eine entsprechende Abkühlung bzw.
Aufheizung dagegen unkontrolliert erfolgen kann. Im Rahmen der in 6b gezeigten
Ausführungsform wird das Temperaturtransferelement jeweils
nach Durchtritt durch die Führung zwischen unterer Auflage 25 und
Isolierschicht 26 auf eine Heizplatte 27 als Wärmezone 29 oder,
sofern eine Zwischenkühlung erforderlich Kühlplatte 28 als
Kühlzone 30 (alternativ zwischen zwei Heiz- bzw.
Kühlplatten zum beidseitgen Temperieren) geschoben, dort
temperiert und mit der geänderten Temperatur wieder zurück
in die Führung geschoben.
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In
allen in 6a bis d gezeigten Ausführungsformen
werden die jeweiligen warmen Bereiche der stangenförmigen
Temperaturtransferelemente zur lokalen Erwärmung des Werkstücks 24 von
unten herangezogen, vorzugsweise lokal begrenzt und synchron unterhalb
der von oben auf das Werkstück einwirkenden und abrollenden
Warmwalzrolle 14 (vgl. 6b und
c).
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7a bis
g geben verschiedene Positionen eines sog. Step- und Repeat-Warmwalzverfahrens zum
schrittweisen Warmwalzen eines ebenen (z. B. plattenförmigen),
vorzugsweise folienförmigen (da biegeschlaff) Werkstücks 24 wieder.
Step- und Repeat-Fertigungsverfahren sind quasikontinuierliche Verfahren,
bei dem mehrere Verfahrensschritte zur Bearbeitung eines Werkstückbereichs
in ihrer Reihenfolge aber für jeweils einen darauf folgenden Werkstückbereich
wiederholt werden. Die Bearbeitung des gesamten Werkstücks
erfolgt somit stufenweise, wobei jede Stufe durch eine sich wiederholende
Verfahrenschrittfolge gebildet wird. Step- und Repeatverfahren sind
insbesondere aus der Mikrofertigung elektronischer Komponenten bekannt.
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Im
Rahmen des in 7a bis g dargestellten Ausführungsbeispiels
kommt ein in 2a dargestelltes Werkzeug mit
einer um ein zylindrisches Temperaturtransferelement 2 (mit
axialer Teilung des warmen und kalten Bereichs 3 bzw. 4)
drehbaren Warmwalzrolle 14, das mit einer Andrückrolle 32 zum Anlegen
des plattenförmigen Werkstücks 24 sowie eine
untere Auflage 25 als Gegenlager für die Warmwalzrolle.
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In
einem ersten Schritt erfolgt ein Anfahren 33 der Warmwalzrolle
auf das auf der Auflage 25 ruhende Werkstück 24.
Das Temperaturtransferelement 2 zeigt mit dem warmen Bereich 3 in
Richtung des Werkstücks 24 (7a).
Es folgt ein Andrücken der Andrückrolle 32 gegen
die Warmwalzrolle 14, wobei die dadurch entstandene Pressung
zur Warmwalzrolle im Einfluss des warmen Bereichs 3 steht (7b).
Es folgt ein Abrollen 34 der Warmwalzrolle 14 über
das Werkstück 24 über die gesamte Länge der
Auflage 25 (7c), wobei sich das Temperaturtransferelement
nicht mitdreht, das Werkstück aber durch die Andrückrolle
auf der Warmwalzrolle festgehalten und aufgerollt wird. Dabei gelangt
das Werkstück auf der Warmwalzrolle auch in vom kalten
Bereich 4 beeinflussten Regionen (vgl. 7d).
Es folgt eine Rückabrollbewegung 35 der Anpressrolle 32 auf der
Mantelfläche der feststehenden Warmwalzrolle 14.
Dabei bewegt sich das zylinderförmige Temperaturtransferelement 2 mit,
sodass das Werkstück 24 im Einflussbereich des
kalten Bereichs 4 von der Mantelfläche abgehoben
wird (vgl. 7d bis f). Nach Abschluss der
Rückabrollbewegung erfolgt eine Abkühlung des
warmen Bereichs 3 zu einem zweiten kalten Bereich 36 (7f)
sowie ein Nachziehen 37 des zwischen blockierter Warmwalzrolle 14 und
Andrückrolle 32 eingespannten Werkstücks 24 über
die Auflage (7g). Mit einem Ablösen
der Andrückrolle 32 mit dem Werkstück 24 von
der Warmwalzrolle 14 und nach Absenken des Werk stücks 24 auf
die Auflage 25 befindet sich ein bislang nicht bearbeitetes
Segment des Werkstücks auf der Auflage 25. Nach
einer Aufwärmung des zweiten kalten Bereichs 36 zu
einem warmen Bereich 3 erfolgt eine Wiederholung der vorgenannten
Verfahrensschrittfolge, beginnend bei 7a.
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Die
in 6a bis d sowie 7a bis
g dargestellten Ausführungsformen mit einer gegen eine ebene
Auflage wirkende Warmwalzrolle ist dann nötig, wenn einerseits
die Entformkräfte bei beidseitig wirkenden ebenen Werkzeugen
zu hoch sind und andererseits auf nur einer der beiden Seiten Strukturen abzuformen
sind, die nur über eine ebene Prägung und nur
durch ein ebenes Prägewerkzeug herzustellen sind (z. B.
bei großen Aspektverhältnissen, insbesondere über
10, weiter bevorzugt 5).
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- 1
- Heißprägewerkzeug
- 2
- Temperaturtransferelement
- 3
- warmer
Bereich
- 4
- kalter
Bereich
- 5
- Bewegungspfeil
- 6
- Durchgangsöffnung
- 7
- Anpressvorrichtung
- 8
- Kraft
- 9
- strukturierte
Prägestempelfläche
- 10
- Werkstück
- 11
- Längsrippung
- 12
- Einlegegleitbahn
- 13
- Luftspalt
- 14
- Warmwalzrolle
- 15
- Walzrollenmantelfläche
- 16
- Kunststofffolie
- 17
- erste
Stützrolle
- 18
- Vorschubrichtung
- 19
- Stützrolle
- 20
- Drehrichtung
- 21
- Aussparung
- 22
- Isolierschicht
- 23
- Verzahnung
- 24
- plattenförmiges
Werkstück
- 25
- untere
Auflage
- 26
- Ioslierschicht
- 27
- Heizplatte
- 28
- Kühlplatte
- 29
- Wärmezone
- 30
- Kühlzone
- 31
- stangenförmiges
Temperaturtransferelement
- 32
- Andrückrolle
- 33
- Anfahren
- 34
- Abrollen
- 35
- Rückabrollbewegung
- 36
- zweiter
kalter Bereich
- 37
- Nachziehen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19924005
A1 [0009]
- - DE 10256059 A1 [0010]