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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Messerklingen und insbesondere auf Messerklingen, die aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Materialien aufgebaut ist.
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Hintergrund
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Messer werden als Werkzeuge in unzähligen Industrien und Anwendungen verwendet und sind in einer großen Anzahl von Formen, Größen und Konfigurationen verfügbar. Die meisten Messer teilen jedoch einige gemeinsame Eigenschaften. Typischerweise beinhalten Messer eine Klinge, normalerweise aus Metall, mit einer geschärften Kante, und einen Griff, an den die Klinge angebracht ist und durch den der Benutzer das Messer ergreifen kann. Höherwertigere Messerklingen sind im Allgemeinen durch ihre Fähigkeit gekennzeichnet, eine Kante aufzunehmen und sie für längere Verwendungszeiträume zu halten. Ein Messer, das seine Kante schnell verliert und oft geschärft werden muss, ist von begrenztem Nutzen, außer für den reinen Freizeitnutzer. Entsprechend werden kontinuierliche und anhaltende Anstrengungen unternommen, neue und bessere Materialien und Behandlungen zu entwickeln, um die Qualität der Messerklingen zu verbessern und Messer zu produzieren, die zu einer feineren Kante geschärft werden können und diese Kante erhalten.
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Die Aufrechterhaltung der Kante ist generell eine Frage der Kantengeometrie und der Materialhärte. Auch wenn es einige Nichtstahl-, und sogar nicht-metallische Messerklingen gibt, sind die meisten Klingen aus Stahl und zunehmend aus rostfreiem Stahl. Um einen hohen Härtegrad zu erzielen, härten Messerhersteller den Stahl, aus dem ihre Klingen hergestellt werden, normalerweise durch Wärmebehandlung. Allerdings liegt eine mehr oder weniger direkte Beziehung zwischen dem Härten einer bestimmten Legierung und der Sprödigkeit vor, so dass eine Messerklinge, die einen sehr hohen Härtegrad aufweist, im Allgemeinen einfacher zerbrechlich ist als andere Messer. In den vergangenen Jahren konnten durch Fortschritte in der Metallurgie Stahllegierungen produziert werden, die an sich schon härter als die allgemein verwendeten Legierungen sind und die zu einem deutlich höheren Grad weiter gehärtet werden können als andere im Allgemeinen verwendete Klingenstähle, allerdings können diese neuen und spezialisierten Legierungen deutlich teurer sein, und de Messer, die aus diesen Stählen hergestellt sind, welche voll gehärtet sind, um deren einzigartige Eigenschaften auszunutzen, neigen oft zu versehentlichen Zerbrechen. Daher müssen Messerhersteller einen Kompromiss zwischen Härte und Zähigkeit finden. Abhängig von der beabsichtigten Anwendung des Messers oder dem anvisierten Markt kann ein Messer mit einer härteren, langlebigeren Kante wichtiger sein als die weniger teuren, haltbareren Messer.
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Dies ist insbesondere der Fall für bestimmte höherwertigere Klappmesser und Messer, welche für professionelle Küchenmeister und andere angefertigt werden, die Lebensmittel zubereiten, und welche ständig in Gebrauch sind.
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Im Fall von sehr hochwertigen handgefertigten Messern kann der Schmied nach dem Härten der Klinge diese einer weiteren Wärmebehandlung unterziehen, die so gestaltet ist, um die Härte aus dem hinteren Stück oder dem Rücken der Klinge zu entfernen, während die Kante hart bleibt. Das führt zu einer Klinge mit einem relativ flexibleren Rücken und einer harten Schneidkante. Der zähere hintere Abschnitt der Klinge trägt und schützt die zerbrechlichere Schneidkante und reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass die Klinge ausversehen oder katastrophal bricht. Leider sind derartige Wärmebehandlungsprozesse arbeitsintensiv und wären unvertretbar teuer, um sie in der Herstellung von Messern für den Massenmarkt anzuwenden.
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Messerklingen werden mit Hilfe einer Anzahl von unterschiedlichen Prozessen hergestellt, abhängig von einer Vielzahl von Faktoren, inklusive der Materialien, welche für den Herstellungsprozess verwendet werden und der gewünschten Qualität des fertigen Produktes. Feinstanzen ist ein verbreitet angewandter Prozess, der eine Anzahl von Vorteilen für den Hersteller bietet. Beim Feinstanzen wird eine Presse verwendet, um Messerklingen von flachen Materialblechen zu formen. In einem dreistufigen Stanzprozess wird das Material zuerst in eine Position eingespannt, dann zwischen oberen und unteren Teilen einer Stanzmatrize gepresst, welche die Messerklinge formt und vom Ursprungsblech (engl. parent sheet) trennt, und dann wird der fertige Formling von der Stanzmatrize ausgeworfen. Der Feinstanz-Prozess produziert einen Messerformling, der sehr wenig zusätzliche Bearbeitung oder andere Fertigstellungsschritte benötigt. Drehlöcher und andere Merkmale können in der Klinge in sehr engen Toleranzen während desselben Prozesses gefertigt werden und häufig ist das Kantenschleifen der einzige verbleibende Schritt zum Fertigstellen der Klinge, auch wenn in einigen Fällen eine geringe Unschärfe auf einer Seite der Klinge verbleibt, die sehr einfach beseitigt werden kann. Leider ist Feinstanzen nicht für sehr hartes Material geeignet und viele der Legierungen, welche für eine Messerklinge besonders geeignet sind, können nicht feingestanzt werden, da der härtere Stahl schnell geschwächt wird (engl. degrade) oder die zur Herstellung der Klingen verwendete Stanzmatrize zerstört. Für Stähle, die für Feinstanzen zu hart sind, ist ein computergesteuertes Laserschneiden ein allgemeines Verfahren zur Herstellung der Klingen aus härterem Stahl, in dem ein Laser die Umrissform (engl. outline shape) der Klinge nachzeichnet, um den Formling aus dem Ursprungsblech zu schneiden. Nachdem der Klingenformling ausgeschnitten ist, wird eine weitere Bearbeitung ausgeführt, um die Kanten, Drehlöcher und andere Merkmale der Klinge fertigzustellen. Dieses Verfahren ist bedeutend zeitaufwendiger und teurer als das Feinstanz-Verfahren, was die Verwendung von sehr harten Legierungen mit Ausnahme der teuersten Messer begrenzt.
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Die
US 4,896,424 A von Walker bezieht sich auf Klappmesser mit einer Klinge mit zwei Abschnitten, in dem ein Abschnitt der Klinge aus Titan hergestellt ist, während der andere Abschnitt der Klinge, welcher die Klingenkante beinhaltet, aus einem rostfreien Hartstahl (engl. high-carbon stainless steel) hergestellt ist. Die Abschnitte werden durch eine fortlaufende Schwalbenschwanz-Verbindung verbunden. Die Abschnitte werden durch Kabel EDM (electrical discharche machining, elektroerosive Bearbeitung), wobei die Schwalbenschwänze für einen Reibschluss geschnitten werden, so dass die Abschnitte nur durch Zusammenpressen miteinander verbunden werden können, wie mit einer Dornpresse. Sobald die Abschnitte zusammengepresst sind, werden sie gestrahlt (engl. peened), d. h. die Verbindung wird gehämmert, um das Material der Abschnitte zu verformen, um eine dauerfeste Verbindung zu schaffen.
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Allerdings weist das Verfahren von Walker einige Nachteile auf. Erstens ist EDM ein teures Verfahren für die Massenproduktion, insbesondere für Teile, die Löcher beinhalten, beispielsweise der Vorsprung (engl. tang) eines Klappmessers. Zweitens müssen die Schwalbenschwanz-Kanten der Klingenabschnitte mit sehr engen Toleranzen gefertigt werden, um ausreichend eng für einen guten Presssitz zu sein, ohne so fest zu sein, dass sie festlaufen, was sehr teuer ist. Drittens sind die Presssitz- und Strahlvorgänge arbeitsintensiv und teuer für eine Massenproduktion.
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Die
US 6,70,627 A von Korb et. al. bezieht sich auf eine Gebrauchs-Komposit-Messerklinge mit einer Schneidkante aus einem Draht eines Werkzeugstahls, welche an einen hinteren Legierungs-Stahlstreifen (engl. steel backing strip) geschweißt ist. Ein kontinuierliches Band des hinteren Stahls wird von einer Spule gerollt und durch EBW (electron beam welding, Elektronenstrahl-Schweißen) an einen Draht des Werkzeugstahls geschweißt, wenn das Band und der Draht unter dem Elektronenstrahl hindurch passieren und wird dann aufgespult. Das resultierende Komposit-Band muss dann einer Anzahl von zusätzlichen Schritten unterworfen werden, inklusive Anlassen, Stanzen und Ritzen, Räumen, Wärmebehandeln und Tempern, Schleifen und Honen (engl. anneal, punch and score, straighten, heat treat and temper, grind and hone), bevor es schließlich in separate Klingen getrennt wird. Leider sind diese Verfahren nicht zur Herstellung von Messerklingen des oben diskutierten Typs geeignet.
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Aus
EP 1 661 660 A1 ist eine Klinge und Verfahren zur Herstellung derselben bekannt. Aus
DE 20 2005 010 636 U1 ist eine Messerkonstruktion bekannt, wobei ein keramisches Messermaterial eingesetzt wird.
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Kurze Zusammenfassung
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Komposit-Messerklinge angegeben, die ein Schneidstück aus einer ersten Legierung, ein Rückenstück aus einer zweiten, von der ersten Legierung unterschiedlichen Legierung, und eine gelötete Verbindung zwischen dem Schneidstück und dem Rückenstück beinhaltet. Das Schneidstück und das Rückenstück sind an der Verbindung verfalzt (engl. interlocked), um zusätzliche mechanische Kraft an der Verbindung bereitzustellen. Die gelötete Verbindung beinhaltet ein Lötmaterial wie zum Beispiel Kupfer, Bronze, Gold, Silber oder Nickel. Das Schneidstück hat einen hohen Härtewert nach Rockwell im Vergleich zu einer Härte des hinteren Stücks.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Herstellen einer Messerklinge angegeben, welches das Feinstanzen eines ersten Stücks einer Messerklinge aus einem Blech aus einem ersten Material, das Laserschneiden eines zweiten Stücks der Messerklinge aus einem Blech aus einem zweiten Material, welches härter als das erste Material ist, und Löten des ersten Stücks auf das zweite Stück zum Herstellen einer Komposit-Klinge beinhaltet.
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Detaillierte Beschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen
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1 ist eine seitliche Draufsicht auf ein Klappmesser gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 bis 6 stellen Komponenten der Klingen des Messers aus 1 in verschiedenen Stufen der Herstellung dar;
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8 bis 11 und 13 zeigen Klingen von Klappmessern gemäß entsprechenden Ausführungsbeispielen der Erfindung;
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12a und 12b sind Schnittansichten entlang der Linie 12-12 der Klinge aus 11;
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14 ist eine seitliche Draufsicht auf eine Klinge eines Festklingenmessers (engl. fixed blade knife) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt ein Klappmesser 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, umfassend ein Griffstück 102 und eine Komposit-Klinge 110. Die Klinge 110 ist mit dem Griffstück mittels einer Befestigung 104 gekoppelt und so eingerichtet, dass sie sich um die Befestigung 104 zwischen einer geöffneten und geschlossenen Position drehen kann. Die Klinge 110 beinhaltet ein hinteres Stück 112, umfassend einen Rücken 111 der Klinge 110 und ein Schneidstück 114, umfassend die geschärfte Schneidkante 113 der Klinge. Das hintere Stück und das Schneidstück 112, 114 sind aus unterschiedlichen Metalllegierungen hergestellt und mit einer serpentinenartigen Verbindung 132 verbunden. Die Materialien der hinteren und der Schneidstücke 112, 114 werden anhand einer Anzahl von Kriterien ausgewählt. Vorzugsweise ist das hintere Stück 112 aus einer Legierung, die einen höheren Grad an Zähigkeit aufweist, so dass es Belastungen tolerieren kann, die zum Beispiel vom Durchbiegen und scharfen Stößen herrühren. Das hintere Stück 112 kann zum Beispiel aus allgemein gebräuchlichen und relativ kostengünstigen Legierungen ausgewählt werden, welche die gewünschten Eigenschaften aufweisen. Das Schneidstück 114 wird aus Legierungen gewählt, welche härter sind oder bis zu einem hohen Grad gehärtet werden können, um die Schneidkanten-Erhaltung zu verbessern. So ist zum Beispiel das hintere Stück gemäß einem Ausführungsbeispiel aus 440A rostfreiem Stahl hergestellt, während das Schneidstück aus einem härteren Stahl wie zum Beispiel AST-34, CPM-S30V, VG-10, ZDP-189, D-2, Werkzeugstahl etc. hergestellt ist.
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In Bezug auf 2 bis 6 wird ein Verfahren zum Herstellen der Komposit-Klinge 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel aus 1 im Detail diskutiert. 2 zeigt einen Schneidkanten-Formling 116, aus dem das Schneidstück 114 hergestellt wird. Der Schneidkanten-Formling 116 wird aus seinem Ausgangsbestand (engl. parent stock) mit Hilfe eines Hochleistungs-CNC-Lasers (computer-numerical control) ausgeschnitten. Das Schneidstück 116 kann ebenfalls unter Verwendung anderer geeigneter Verfahren produziert werden, beispielsweise EDM (electrical discharge machining, elektroerosive Bearbeitung), Wasserstrahlschneiden, Plasmaschneiden, etc. Der Schneidkanten-Formling 116 ist mit einer gewundenen oder serpentinenartigen Verbindungskante 118 ausgestattet.
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3 zeigt einen hinteren Ausstanzformling 120, aus dem ein hinteres Stück 112 hergestellt wird. Der Ausstanzformling 120 wird vorzugsweise mit Hilfe eines Feinstanz-Verfahrens hergestellt und ist mit einer serpentinenartigen Verbindungskante 122 ausgestattet, welche so gestaltet ist, dass sie mit der Kante 118 des Schneidkanten-Formlings 116 verfalzt ist. Der hintere Ausstanzformling kann ebenfalls mit Hilfe anderer geeigneter Verfahren inklusive Laser, Wasserstrahl, Plasma etc. hergestellt werden. Der Ausstanzformling 120 ist mit Merkmalen ausgestattet, die notwendig sind, um die Klinge an ein Griffstück zu montieren, wie eine Drehöffnung 124, wie auch mit Merkmalen, welche zum Eingreifen von Verschlusselementen, wie Anschlagbolzen etc. notwendig sind. Nur die Drehöffnung 124 ist im Detail gezeigt, und es wird verständlich, dass die Merkmale mit der besonderen Gestaltung des Messers variieren können. Zum Beispiel kann eine Klinge für ein Festklingenmesser einen erweiterten Vorsprung beinhalten, der mit Öffnungen für Nieten (engl. rivets) ausgestattet ist, wie später in Bezug auf 14 diskutiert werden wird. Im Ausführungsbeispiel, welches in den 1 bis 6 dargestellt ist, ermöglichen die gefalzten serpentinenartigen Profile der Verbindungskanten 118, 122 des Schneidkanten-Formlings 116 und des hinteren Ausstanzformlings 120 einen vereinfachten Zusammenbau, halten die Stücke während eines Verbindungsverfahrens zusammen und erhöhen die Beanspruchbarkeit des Endproduktes. Zusätzlich kann die besondere Gestaltung des Falz-Musters nach ästhetischen Gesichtspunkten ausgewählt werden. Allerdings ist es nicht notwendig, dass die Kanten mechanisch verfalzt werden, zum Beispiel können die Verbindungskanten der hinteren und der Schneidstück-Formlinge so hergestellt werden, dass sie generell zusammen passen, ohne verfalzt zu werden, beispielsweise entlang einer im Wesentlichen geraden oder einfach gekrümmten Kurve, und schlagen für die Verbindung aneinander an.
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Wie in 4 gezeigt, sind die serpentinenartigen Verbindungskantenprofile der hinteren und der Schneidstück-Formlinge 116, 120 mit einem Gleitsitz (engl. slip fit) hergestellt, so dass sie einfach von Hand zusammengesetzt werden können, während sie einen ausreichenden Kontakt für einen geeigneten Fluss des Lötmaterials aufweisen. Eine Lötpaste wird auf die Verbindungskanten 118, 122 aufgetragen, entweder durch Auftragen der Paste auf eine der Kanten 118, 122 vor dem Zusammenbau, oder durch Platzieren einer kleinen Menge der Lötpaste auf eine obere Oberfläche der hinteren und der Schneidkanten-Formlinge 116, 120, nachdem sie zusammengesetzt wurden. Die zusammengesetzten Formlinge werden in einen Ofen gebracht und vorzugsweise auf eine Temperatur von ca. 50 F über der Liquidus-Temperatur des Lötmaterials erwärmt. Zum Beispiel beträgt die Liquidus-Temperatur von Kupfer ungefähr 1980 F (1082°C), so dass mit einer Kupfer-Lötpaste die Formlinge auf eine Temperatur von ca. 2030 F (1110°C) erwärmt werden. Das Kupfer schmilzt und fließt aufgrund einer Kapillarwirkung in die Verbindung 132, um die gelötete Verbindung herzustellen, so dass ein Klingenformling 130 produziert wird, wie in 6 gezeigt. Löten in einem Vakuum-Ofen unter Partialdruck oder in einer inerten Atmosphäre verhindert im Allgemeinen einen Fluss in der Paste.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Klingenformling 130 auf die austenitische Temperatur der Legierung abgekühlt werden, aus dem der Schneidkanten-Formling 116 hergestellt ist, auf welcher er für eine kurze Zeit gehalten wird um sich zu stabilisieren, und kann dann vergütet (engl. quench) werden, um den Stahl des Schneidkanten-Formlings 116 zu härten. Nach dem Vergüten kann der Klingenformling 130 wieder auf eine geeignete Temperatur erwärmt und dort gehalten werden, um dann langsam abzukühlen, um den Klingenformling 130 zu tempern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der hintere Formling aus 440A-rostfreiem Stahl ausgeschnitten, während der Schneidkanten-Formling aus einem D-2-rostfreien Stahl ausgeschnitten ist, und sie werden bei ca. 2030 F (1110°C) unter Verwendung von Kupfer-Lötmaterial verlötet. Der resultierende Klingenformling wird auf die austenitisierende Temperatur, ca. 1850 F (1010°C) von D-2-Stahl gekühlt und auf dieser Temperatur für ca. 30 Minuten gehalten und dann vergütet. An diesem Punkt hat der D-2-Stahl eine Härte von ca. 63 Rockwell, ist aber sehr zerbrechlich. Der Formling wird dann wieder auf die primäre Temper-Temperatur des D-2-Stahls, ca. 350 F (177°C), erwärmt und für ca. zwei Stunden auf dieser Temperatur gehalten und dann langsam abgekühlt. Der Schritt des Wieder-Erwärmens wird mehrere Male wiederholt, um die Klinge vollständig zu tempern. Nachdem das Tempern abgeschlossen ist, hat der D-2-Stahl eine Härte im Bereich von 58 bis 62 Rockwell, während der 440A-Stahl eine Härte von ca. 50 Rockwell aufweist.
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Die austenitische Temperatur und das Vergütungs- und Temper-Verfahren variieren in Abhängigkeit der für die Schneidkante der Klinge gewählten Materialien und der gewünschten Härte und Zähigkeit der endgültigen Klinge. Einige Legierungen können nicht mit Hilfe einer Wärmebehandlung gehärtet werden, andere benötigen kein schnelles Vergüten zum Härten, aber werden „durch die Luft gehärtet”, wenn der Stahl Langsamer gekühlt wird. Die für den hinteren Formling 120 und für die Schneidkante 116 verwendeten Legierungen können so gewählt werden, dass der hintere Formling 120 während des Verfahrens nicht härtet, durch welches der Schneidkanten-Formling 116 gehärtet wird, oder sie können so gewählt werden, dass der Temper-Prozess deutlich den Umfang der Härte, welche auf den hinteren Formling 120 aufgeprägt wird, während des Härteprozesses reduziert wird, wie in dem oben beschriebenen Beispiel. Das Resultat ist eine differentiell gehärtete Klinge mit exzellenter Zähigkeit, welche durch das hintere Stück 112 ausgeübt wird, sowie eine extrem hohe Kantenerhaltung, die durch das härtere Schneidkantenstück 112 bereitgestellt wird. 6 zeigt die Klinge 110 nach einem finalen Schleifen der Schneidkanten und Polieren.
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In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, einen Anlass-Prozess (engl. annealing) vor dem Härteschritt durchzuführen, so dass die Klinge anstatt dem Vergüten oder unkontrolliertem Kühlen ausgehend von der austenitischen Temperatur einem langsamen Abkühlungsprozess ausgesetzt wird. Wenn nötig, kann die Klinge zum Härten nach dem Anlass-Schritt wieder erwärmt werden.
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Im Ausführungsbeispiel, welches in den 1 bis 6 dargestellt ist, ist ersichtlich, dass der hintere Formling 120 in der endgültigen Klinge 110 weitgehend unverändert bleibt, mit Ausnahme eines Abschnitts, welcher an das Schneidstück 114 angrenzt und durch Schleifen und Polieren beseitigt wird. Der Feinstanz-Prozess, der zum Herstellen des hinteren Formlings 120 angewendet wird, macht den Endbearbeitungs-Prozess im Allgemeinen überflüssig, der für den Fall einer lasergeschnittenen Klinge notwendig wäre, so dass der Hersteller von der Ökonomie des Feinstanz-Prozesses profitiert, während eine Klinge hergestellt wird, die Schneidkanten-Qualitäten des härteren Stahls des Schneidstücks 114 aufweist. Weiterhin macht das Schneidstück 114 nur einen kleinen Bruchteil des gesamten verwendeten Materials aus, um die Klinge 110 herzustellen. Dies ist vorteilhaft, da viele Legierungen, welche die gewünschten Schneidkanten-Eigenschaften aufweisen, deutlich teurer sind als die konventionelleren Legierungen, die für das hintere Stück 112 geeignet sind. Während in dem Ausführungsbeispiel, welches in den 1 bis 6 gezeigt ist, das Schneidstück 114 eine gewisse Distanz über die Breite der Klinge hinausgeht, kann der oben beschriebene Prozess einfach angewendet werden, um deutlich schmalere Schneidstücke mit dem hinteren Stück zu verbinden, so dass die eigentliche Schneidkante ein verschwindend kleiner Teil der Klinge ist.
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Ein anderer Vorteil des oben beschriebenen Verfahrens ist, dass durch Herstellen der Verbindungskanten 118, 122 des hinteren und des Schneidkanten-Formlings 118, 122 zum Gleitsitz-Zusammenbau die Massenproduktion der Klinge 110 vereinfacht wird. Der Lötprozess füllt leicht die resultierende schmale Lücke.
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Wie diagrammartig in 7 dargestellt, wird ein Laser 50 des Typs, welcher zum Schneiden von Teilen wie für Messerklingen verwendet wird, üblicherweise über einen Tiegel 54 positioniert, auf dem ein Ausgangsbestand 56 angeordnet wird. Der Laser 50, der Tiegel 54 oder eine Kombination von beiden, werden unter Computersteuerung relativ zueinander so bewegt, dass der Laser den Umriss der zu schneidenden Form nachfährt. Die Wärme des Lasers schmilzt oder verdampft das Metall, während er sich bewegt, und lässt einen Schnitt von variierender Breite zurück, abhängig von der Geschwindigkeit der Relativbewegung, vom Abstand des Lasers 50 vom Material 56, vom Winkel des Schnitts durch das Material, der Schwächung oder der Verdeckung (engl. occlusion) des Schneidstrahls durch Dampf und vom Material, welches aus dem Schnitt ausgeworfen wird, und von anderen Faktoren. Als ein Resultat ist die Kante des Teils nicht genau einheitlich oder glatt und benötigt im Allgemeinen einige Bearbeitung wie Fräsen, Schleifen oder dergleichen zum Fertigstellen und um sie auf akzeptable Toleranzen zur Verwendung in einem Endprodukt zu bringen.
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Als ein Resultat davon, zumindest im Hinblick auf Hochgeschwindigkeits-Vorgänge, welche für ein ökonomisches Produktionsschneiden von Messerklingen verwendet werden, wird eine lasergeschnittenes Klinge als ein provisorisches Produkt aufgefasst und kann nicht als eine Komponente in einem Messer verbaut werden, sofern keine weitere Bearbeitung oder Glättung vorgenommen wurde.
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In einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung sind sowohl das hintere Stück als auch das Schneidstück lasergeschnitten. Ohne weitere Bearbeitung, Fräsen oder Schleifen werden die beiden Teile miteinander verbunden, um eine Messerklinge herzustellen, welche dann fertiggestellt wird, als wäre sie als ein einziges Teil geschnitten worden. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Schneidstück lasergeschnitten und des hintere Stück ist feingestanzt oder geprägt (engl. stamped). Die beiden Teile werden dann gemäß den Prinzipien dieser Erfindung ohne weitere Bearbeitung, Fräsen oder Schleifen der verbindenden Kanten jedes Teils miteinander verbunden. Dies ist unerwartet, da die beiden Teile durch sehr verschiedene Prozesse hergestellt wurden und verschiedene Toleranzen sowie verschiedene Zurichtungen (engl. finishes) an ihren verbindenden Kanten aufweisen. Dies ermöglicht wesentliche Kosten- und Zeitersparnisse, da mit dieser Erfindung ein lasergeschnittenes Teil nicht mehr den zuvor notwendigen Bearbeitungs- oder Frässchritten unterzogen werden muss, bevor es als eine Komponente des Messers verbunden wird. Die Einsparungen sind sogar größer, da es möglich ist, die verbindenden Kanten des Laserteils in jeder gewünschten Form oder Länge zu fertigen, ohne die Bedingungen von Nach-Laser-Bearbeitungs- oder Frässchritten berücksichtigen zu müssen. Daher kann die Verbindungskante des lasergeschnittenen Teils serpentinenartig gefertigt werden mit jedem Hinterschnitt, Kehrschnitt (engl. reverse cut), Biegungen oder jede Form, die ein computergesteuerter Laser über die Oberfläche ohne Rücksicht darauf nachfahren kann, ob ein Bearbeitungswerkzeug in der Lage ist, später diesen Spuren folgen zu können. Einige Formen, welche nicht bearbeitet werden konnten oder Formen, die teuer und zeitaufwendig zu bearbeiten wären, können jetzt im Endprodukt verwendet werden, was zuvor nicht praktikabel und in einigen Fällen nicht möglich war.
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Die Gestaltung und Form der Verbindung kann daher auf Basis von vorgesehener Stärke, Ästhetik und anderen Merkmalen ausgewählt werden, ohne auf die Fähigkeit, das Stück anfänglich oder sogar nach einem Laserschnitt zu bearbeiten, achten zu müssen.
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Daher wurden sowohl die hinteren als auch die Schneidstücke in einem Ausführungsbeispiel mit einem industriellen CNC-gesteuerten Laser, wie oben beschrieben, geschnitten. In anderen Ausführungsbeispielen wird ein Teil durch Feinstanzen oder Prägen und das andere Teil durch eine andere Technik, wie Laser, EBM, Ionenfräsen (engl. ion milling) Plasmaschneiden und dergleichen hergestellt.
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In Tests, die vom Erfinder durchgeführt wurden, zeigten Komposit-Klingen, die im Wesentlichen wie oben beschrieben hergestellt wurden, überlegene Eigenschaften bezüglich Stärke und Zähigkeit, und die Verbindungen stellten sich als stärker als das Stahl der Klingen heraus, so dass Bemühungen, die Teile zu trennen, unvermeidlich zu einem Verbiegen oder zum Bruch der Teile führten, anstatt sie an der Verbindung zu trennen. Es wird vermutet, dass dies zumindest teilweise auf die große Kontakt-Oberfläche der Verbindung und auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass aufgrund der serpentinenartigen Form keine einzige Linie vorhanden ist, entlang welcher mehr als ein kleiner Abschnitt der Verbindung konzentrierter Belastung ausgesetzt werden kann.
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Die Lötpaste kann kupferbasiert sein, wie oben beschrieben, oder sie kann mit einem weiten Bereich von Materialien, inklusive zum Beispiel Bronze, Nickel, Silber, Gold etc. formuliert werden. Nachdem die Klinge poliert wurde, äußert sich die Verbindung 132, wenn überhaupt, als eine dünne Haarlinie auf der Klinge. Das Lötmaterial kann so gewählt werden, um die Sichtbarkeit der Verbindung 132 zu minimieren oder zu erhöhen. Zum Beispiel zeigt sich eine Kupfer-Lötung als eine dünne rötliche Linie, während eine nickelbasierte Lötung eine Farbe aufweist, welche rostfreien Stählen sehr nahe kommt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Klinge einem Sandstrahlen, Kugelstrahlen und/oder einem Ätzen ausgesetzt. Solche Behandlungen werden unterschiedlich auf die verschiedenen Legierungen der hinteren und der Schneidstücke 112, 114 einwirken und die jeweiligen Erscheinungen verändern. Zum Beispiel kann Sandstrahlen und Kugelstrahlen mit einer Kraft angewendet werden, die ausreicht, eine Textur auf die Oberfläche des relativ duktileren hinteren Stück hinzuzufügen, ohne die härtere Oberfläche des Schneidstücks 114 zu beeinflussen oder es kann mit einer höheren Kraft angewendet werden, um beide Stücke zu strukturieren. Die Klinge kann ebenfalls chemisch geätzt werden, um die Oberflächen-Textur oder Farbe eines oder beider Stücke oder des Lötmaterials zu ändern, abhängig von den spezifischen Legierungen der Klinge und der verwendeten Chemikalien.
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Die Lötkomponente kann ebenfalls so ausgewählt werden, um spezifische Anforderungen der für die Klinge ausgewählten Materialien zu erfüllen. Zum Beispiel haben einige Stahllegierungen eine austenitische Temperatur im Bereich von 2100 F (1148°C). Falls solch eine Legierung unter Verwendung der oben beschriebenen Lötpaste gelötet und später wärmegehärtet würde, würde das Kupferlot bei der höheren austenitischen Temperatur aus der Verbindung fließen. Um derartige Probleme zu vermeiden, könnte der Schneidkanten-Formling vor dem Lötschritt gehärtet werden, allerdings wäre es ein ökonomischerer Prozess, eine Nickel-Lötpaste zu verwenden, deren Liquidus-Temperatur ungefähr 2200 F (1205°C) beträgt, so dass das Löten und das Härten im selben Wärmeschritt ausgeführt werden kann.
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Die Prinzipien dieser Erfindung sind oben in Bezug auf eine Klinge mit zwei unterschiedlichen Legierungen beschrieben worden. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel können drei oder mehrere Stücke mit unterschiedlichen Eigenschaften miteinander verbunden werden, um eine Komposit-Klinge herzustellen. 8 zeigt eine Klinge 310 mit einem hinteren Stück 312, ein Schneidstück 114, und ein Drehstück 340, das in einem Vorsprung der Klinge 310 positioniert ist. Die hinteren und die Schneidkanten-Stücke 312 und 314 sind im Wesentlichen wie in Bezug auf die 1 bis 6 beschrieben, während das Drehstück 340 aus einem Bronzematerial mit niedriger Reibung hergestellt ist und die Drehöffnung 124 beinhaltet. Das Bronzematerial des Drehstücks 340 nimmt den Klemmdruck (engl. clamping pressure) der Drehverbindung auf und erlaubt die Drehung der Klinge mit deutlich reduzierter Reibung, so dass die Notwendigkeit der Verwendung einer Hülse im Drehmechanismus entfällt, so dass der Zusammenbau des fertigen Messers vereinfacht wird. Das Bronze-Drehstück 340 kann feingestanzt werden oder durch jedes andere geeignete Verfahren hergestellt werden, um das hintere Stück entlang einer Verbindung 340 in Eingriff zu bringen.
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9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem eine Messerklinge 410 ein hinteres Stück 412 einer ersten Legierung, ein Schneidstück 414 einer zweiten Legierung und Verzahnungszapfen 442 (engl. serration plugs) einer dritten Legierung beinhaltet. Die Klinge beinhaltet auch einen Drehkanal 426, der in einen Anschlagbolzen im zusammengesetzten Messer eingreift, um den Umfang der Bewegung zwischen den geöffneten und der geschlossenen Positionen der Klinge 410 zu begrenzen. Gezahnte oder teilweise gezahnte Messer sind für viele Anwendungen beliebt. Im Allgemeinen sind gezahnte Klingen schwieriger zu schärfen als nicht gezahnte Klingen, und sie tendieren dazu, sehr schnell entlang der äußersten Schneidkante der Verzahnungen stumpf zu werden. Im Ausführungsbeispiel aus 8, sind das hintere Stück 412 und das Schneidstück 414 im Wesentlichen so gefertigt, wie oben beschrieben. Weiterhin sind die Verzahnungszapfen 442 aus einer Legierung gefertigt, die eine Härte aufweist, die so hoch wäre, dass sie aufgrund der Sprödigkeit nicht für die zuvor beschriebenen Schneidstücke geeignet wäre, allerdings ist sie für kleine Zapfen aufgrund ihrer hohen Härte und der Schneidkanten-Erhaltung vorteilhaft.
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10 zeigt eine Messerklinge 510 mit einem komplexen und phantasievollen Design. Die Klinge 510 beinhaltet ein hinteres Stück 512 und ein erstes und ein zweites Schneidstück 514, 515, welche jeweils mit den Verbindungen 532 und 534 verbunden sind. Die Klinge 510 mit ihrer komplexen Form und feinem Detail kann durch Feinstanzen des hinteren Stücks 512 ökonomisch hergestellt werden, während sie dennoch die gewünschten Eigenschaften des härteren Legierungs-Schneidstücks 514, 515 bereitstellt. Weiterhin können das erste und das zweite Schneidstück 514, 515 selbst aus unterschiedlichen Materialien gefertigt werden, um so Schneidkanten bereitzustellen, die unterschiedliche Härten und Aussehen haben.
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11 zeigt eine fertiggestellte Messerklinge 610 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Klinge 610 beinhaltet ein hinteres Stück 612, welches einen Rücken 111 beinhaltet, und ein Schneidstück 614, welches eine geschärfte Kante 113 beinhaltet und an einer Verbindung 632 verbunden ist, die eine serpentinenartige Form hat. 12a ist eine Querschnittsansicht der Klinge 630 aus 11 entlang der Linien 12-12, wobei die Verbindung 632 die Ebene des Querschnitts 12-12 bei 623 schneidet. Am weitesten Punkt T1 hat das hintere Stück 612 eine Dicke von ca. 0.125'' (0,31 cm), während das Schneidstück 614 an seinem weitesten Punkt T2 eine Dicke von ca. 0.042'' (0,1 cm) aufweist.
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12b zeigt einen Querschnitt eines Klingenformlings 630, aus dem die Klinge 610 hergestellt ist, entlang der selben Ebene im Formling 630 gesehen, die durch die Linien 12-12 in der Klinge 610 in 10 definiert wird. Der Klingenformling 630 beinhaltet einen hinteren Formling 620 und ein verbundener Schneidkanten-Formling 616, in 11b bei 623 verbunden. Die gestrichelte Linien in 12b zeigen das Profil, welches die Klinge 610 nach den Schleif- und den Polierschritten annehmen wird, wie in 12a dargestellt. Es wird in Bezug auf die 12a und 12b deutlich, dass es nicht notwendig ist, den Schneidkanten-Formling 616 mit einer Dicke auszustatten, die gleich der Dicke des hinteren Formlings 620 ist. Entsprechend wird das hintere Stück 620 im Wesentlichen auf die endgültige Dicke von 0:125'' (0,31 cm) feingestanzt, während der Schneidkanten-Formling 616 als einem dünneren Ausgangsbestand ausgeschnitten wird, welches zum Beispiel eine Dicke von ca. 0.45'' (1,15 cm) aufweist. Die Verwendung von dünneren Ursprungsvorräten reduziert die Materialkosten für den Hersteller und daher auch die Herstellungskosten, da weniger Material im Schleif-Schritt beseitigt werden muss. Weiterhin ist es möglich, den hinteren Formling im Wesentlichen auf sein endgültiges, in 11a gezeigtes Profil feinzustanzen, so dass nur der Schneidkanten-Formling 616 wesentlich geschliffen werden muss.
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13 zeigt eine Klinge gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem hinteren Stück 712 und einem Schneidstück 714. Die Kante 722 des hinteren Stücks 712 hat eine Form, die zu der Kante 718 des Schneidstücks nur abschnittsweise passt und in diese eingreift, so dass die Verbindung 732 nicht durchgängig ist, was in einer Vielzahl von Öffnungen 728 in der endgültigen Klinge 710 resultiert. Derartige Öffnungen können aufgrund von Gewichts- oder Design-Überlegungen bereitgestellt werden und werden als ein Resultat der relativen Formen der Kanten 722, 718 des hinteren und des Schneidstücks 712, 714, respektive, hergestellt.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel werden Öffnungen durch die Klinge hergestellt, die voll innerhalb des hinteren Stücks sind, so dass die endgültige Klinge Öffnungen aufweist, während die Verbindung durchgängig ist.
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14 zeigt eine Klinge 810 eines Festklingenmessers, welches für die Verwendung in der Lebensmittelzubereitung konfiguriert ist. Die Klinge 810 beinhaltet ein hinteres Stück 812 und ein Schneidstück 814, welche miteinander an der gelöteten Verbindung 832 verbunden sind, wie es in Bezug auf die Ausführungsbeispiele der 1 bis 6 beschrieben wurde. Es ist ein voller Vorsprung 816 mit Öffnungen 806 vorgesehen, um die Verschlüsse aufzunehmen, die Griffskalen (engl. handle scales) auf gegenüberliegenden Seiten des Vorsprungs fixieren. Die Vorteile, welche durch die zweiteilige Klinge 810 erreicht werden, sind insbesondere für Küchenmesser vorteilhaft. Professionelle Küchenmeister benötigen sehr scharfe Messer, die sie dauerhaft verwenden. Viele bevorzugen es, sie professionell schärfen zu lassen, was einen beträchtlichen Kostenaufwand für Küchenchefs darstellt, die routinemäßig eine Vielzahl von verschiedenen Messern verwenden. Solche Messer-Benutzer können einen hohen Geldbetrag dafür ausgeben, Messer mit sehr harten, langlebigen Schneidkanten zu erlangen, nicht nur aufgrund der Kosten für das Schärfen, sondern auch für die Unannehmlichkeit und die Frustration, die sie erfahren, wenn sie es für nötig erachten, ein Messer mit einer mangelhaften Schneidkante so lange zu verwenden, bis dass sie wieder geschärft werden kann. Weiterhin kann die belastende Verwendung, die derartige Messer in der Küche ausgesetzt sind, sowie die Tatsache, dass viele derartiger Messer sehr lang und schmal sind, diese besonders bruchempfindlich machen. Daher hilft ein Küchenmesser, welches gemäß den offenbarten Ausführungsbeispielen hergestellt ist und welches eine härtere Schneidkante und eine zähere Gesamtklinge bietet, beide dieser Kernpunkte, die von hoher Wichtigkeit für diejenigen sind, die derartige Messer verwenden, zu reduzieren.
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Eine Vielzahl von Ausführungsbeispielen sind beschreiben worden, in welchen separate Teile miteinander unter Verwendung eines Lötprozesses verbunden werden. Auch wenn dies ein bevorzugtes Verfahren ist, können andere Verbindungsverfahren ebenfalls angewendet werden, inklusive EBW und HIP-Plattieren (hot isostatic press cladding, Heißisostatpressen-Plattieren). Der Lötprozess bietet eine Anzahl von Vorteilen gegenüber diesen und anderen Verbindungsverfahren: die Formlinge können im selben Wärmeprozess wärmebehandelt oder angelassen werden, der zum Löten der Stücke verwendet wird; eine hohe Anzahl von Klingenformlingen kann gleichzeitig in einem Ofen gelötet werden, während EBW ein CNC-gesteuertes System benötigen würde, um jede Klinge einzeln zu schweißen, was zeitaufwendiger und teurer wäre, während der HIP-Plattierungsprozess eine spezielle Druckkammer benötigt, die sehr groß im Verhältnis zu der Größe des Arbeitsraums im Inneren ist, und eine spezielle Behandlung und Handhabung der Formlinge für ihre Vorbereitung auf den Prozess benötigt.
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Es existiert eine Anzahl von Begriffen, welche für die Beschreibung der Eigenschaften der Messerklingen und des Stahls, von dem sie hergestellt sind, verwendet wird. Diese beinhaltet Härte, die relative Fähigkeit eines Materials, plastische Deformation zu widerstehen; Zugfestigkeit (engl. tensile strength), der Grad, bis zu dem ein Material eine Zugbelastung widersteht, ohne zu brechen; Zähigkeit, der Grad, bis zu dem ein Material im Allgemeinen Belastungen widersteht (Dehnung, Druck oder Schub), ohne zu brechen, Duktilität, die Fähigkeit eines Materials, sich ohne Bruch plastisch zu deformieren, und Sprödigkeit, der Grad, bei dem ein Material in Erwiderung auf Belastung bricht, ohne sich zuvor zu deformieren.
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Die Zusammenfassung der vorliegenden Offenbarung ist als ein kurzer Überblick einiger der Prinzipien der Erfindung gemäß einem Ausführungsbeispiel als eine Suchhilfe angegeben. Die Zusammenfassung ist weder als komplette oder definitive Beschreibung irgendeines der Ausführungsbeispiele zu verstehen, noch sollte sich auf definierte Begriffe, die in der Beschreibung oder den Ansprüchen verwendet werden, verlassen werden. Die Zusammenfassung beschränkt den Umfang der Ansprüche nicht.
