DE102008048298A1

DE102008048298A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Prägen von Mikrostrukturen in Kunststoffoberflächen

Info

Publication number: DE102008048298A1
Application number: DE102008048298A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wagenknecht
Original assignee: Kunststoff-Zentrum In Leipzig Gemeinnuetzige GmbH; Kunststoff Zentrum in Leipzig GmbH
Current assignee: Kunststoff-Zentrum In Leipzig Gemeinnuetzige GmbH; Kunststoff Zentrum in Leipzig GmbH
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2010-05-06

Abstract

Das Verfahren und die Vorrichtung dienen zum Prägen von Mikrostrukturen in flächigen Kunststoffhalbzeugen, wie Platten und Folien, und in die Oberflächen von Kunststoffformteilen. Die Mikrostrukturen werden für Komponenten in der Mikrosystemtechnik eingesetzt und liegen im Größenbereich zwischen 1 µm und 100 µm. Verfahrensgemäß wird das Kunststoffsubstrat zwischen einer Ultraschallsonotrode und einem Amboss positioniert, und die zu strukturierenden Bereiche werden durch die Einkopplung von Ultraschallenergie aufgeschmolzen. Durch den Anpressdruck der Sonotrode auf die Kunststoffschmelze werden die Mikrostrukturen auf der Ambossoberfläche bzw. auf der Sonotrodenfläche ausgefüllt. Die Mikrostrukturen können sich dabei auf der Sonotrodenoberfläche, auf der Ambossoberfläche oder zur doppelseitigen Strukturierung auf beiden Flächen befinden. Nach dem Abschalten des Ultraschalls bleibt der Druck zwischen Sonotrode und Amboss auf das Kunststoffsubstrat bestehen, bis das Substrat erstarrt ist. Die Vorrichtung besteht aus einer präzise geführten Ultraschall-(US)Einheit und dem gegenüberliegenden Amboss, der in einer Werkzeugaufnahme mit Nivellierung gehalten wird. Niederhalter fixieren das Kunststoffsubstrat auf dem Amboss während des Prägens. Durch das Anlegen von Vakuum an den mikrostruboss wird die Abformgenauigkeit verbessert, Fig. 1.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prägen von Mikrostrukturen in flächige Kunststoffhalbzeuge, wie Platten und Folien, und in die Oberflächen von Kunststoffformteilen.
In der Mikrosystemtechnik werden Komponenten eingesetzt, die oft aus mehreren Mikroteilen zusammengesetzt sind. Diese Mikroteile verfügen oftmals über Strukturen im Mikrometerbereich zwischen 1 µm und 100 μm. Die technische Funktion solcher Teile wird wesentlich durch die Gestaltung dieser Mikrostrukturen bestimmt.
Der Einsatz von mikrotechnischen Bauteilen und Komponenten erfolgt nahezu in allen industriellen Zweigen, wobei im Bereich der Medizin-, Informations-, Automobil-, Umwelt- und Sicherheitstechnik besonders hohe Zuwachsraten erzielt werden. Viele dieser Bauteile befinden sich noch in der Entwicklung oder werden vorerst in kleineren Stückzahlen gefertigt. Häufig werden auch flache, dünnwandige Formteile, wie Platten und Folien, eingesetzt, die mit definierten Strukturen auf der Oberfläche versehen werden und beispielsweise mikrofluidische Funktionen durch Kanalstrukturen oder mikrooptische Funktionen durch linsenförmige Konturen wahrnehmen.
In der Vergangenheit wurden mikrotechnische Erzeugnisse fast ausschließlich aus Silizium-basierten Werkstoffen hergestellt, deren Herstellungsverfahren in den letzten Jahrzehnten umfassend weiterentwickelt wurden. Diese Verfahren sind sehr etabliert, aber auch mit erheblichen Kosten verbunden. Mit zunehmendem Einsatz solcher Produkte steigt auch der Bedarf an preiswerten kommerziellen Produkten und Methoden zur Großserienproduktion von Mikroteilen bzw. Mikrosystemen. Zur Abdeckung dieser Erfordernisse sind einerseits preiswerte Substratmaterialien erforderlich, zum anderen sollen möglichst einfache Strukturierungsverfahren zum Einsatz kommen.
Immer häufiger werden zur Fertigung von Mikrobauteilen Kunststoffe verwendet, die aufgrund der Vielfalt ihrer physikalischen und chemischen Eigenschaften, der vergleichsweise einfachen Verarbeitbarkeit sowie ihres geringen Preises und der attraktiven Ökobilanz eine zunehmende Verbreitung finden.
Aus der Betriebspraxis ist bekannt, dass zur Mikrostrukturierung von Kunststoffoberflächen verschiedene Verfahren eingesetzt werden. Die mechanische Bearbeitung, z. B. durch Fräsen, oder die Laserablation zählen zu den direkten Verfahren. Diese werden zur Herstellung von Prototypen und sehr kleinen Serien eingesetzt, wobei jedes Bauteil separat strukturiert wird.
Mit diesen direkten Strukturierungsverfahren wird in die Oberfläche jedes Kunststoffformteiles eine Mikrostruktur eingearbeitet. Nachteilig ist dieses Vorgehen für die Herstellung größerer Stückzahlen, da sehr lange Fertigungszeiten entstehen, die den Gesamtaufwand deutlich erhöhen. Zudem verringert sich die Reproduzierbarkeit bei der Strukturierung großer Stückzahlen.
Für mittlere und große Serien haben sich in der Praxis indirekte Verfahren etabliert, bei denen eine wiederholende Abformung des Kunststoffes von einer Negativform erfolgt. Aufgrund der Verformbarkeit thermoplastischer Kunststoffe bei erhöhten Temperaturen ist die Möglichkeit zur Abformung gegeben.
Zu diesen replikativen Verfahren zählt das Spritzgießen. Im Spritzgießprozess wird ein thermoplastischer Werkstoff erwärmt, die entstehende Schmelze mit hohem Druck in den Hohlraum eines Formwerkzeuges gespritzt und nach dem Erstarren als fertiges Formteil entnommen. Es ergibt sich ein sehr wirtschaftlicher Prozess mit geringen Stückkosten, wenn ein hoher Durchsatz erreicht wird.
Für die Fertigung von mikrostrukturierten Formteilen im Spritzgießverfahren ergeben sich Mängel, die sich prozessbedingt aus den hohen Einspritzdrücken und -geschwindigkeiten sowie aus den kurzen Erstarrungszeiten der Kunststoffschmelze bei hoher Differenz zwischen Temperatur der Kunststoffschmelze und der Entformtemperatur ergeben. Dadurch wird die Abformung von Mikrostrukturen auch bei geringeren Aspektverhältnissen, Verhältnis von Höhe und Breite einer Kontur ≤ 1, wesentlich beeinträchtigt. Zudem ist der Aufwand für die Herstellung eines Spritzgießwerkzeuges vergleichsweise hoch und daher nur bei sehr großen Stückzahlen wirtschaftlich. Folienartige Formteile mit geringen Dicken, < 0,5 mm, sind aufgrund des sehr hohen Verhältnisses zwischen Fließweglänge und Wanddicke nur durch Modifizierung des Verfahrens, wie z. B. das Spritzprägen, zu realisieren.
Durch den Einsatz von Sonderverfahren können im Spritzgießprozess Optimierungen hinsichtlich der Abformgenauigkeit von Mikrostrukturen erzielt werden. Eine Möglichkeit besteht in dem variothermen Betrieb von Spritzgießwerkzeugen durch zyklisches Aufheizen und Abkühlen der Werkzeugkontur, womit die Schmelze beim Einspritzen länger im plastifizierten Zustand gehalten und dadurch die Abformung von Mikrostrukturen optimiert oder sogar erst ermöglicht wird.
Beim Variothermverfahren ergeben sich Mängel durch das separate Aufheizen und Ab kühlen des formgebenden Werkzeuges aufgrund deutlich höherer Zykluszeiten als beim konventionellen Spritzgießen. Eine wirtschaftliche Fertigung kann damit nur eingeschränkt durchgeführt werden. Zudem steigt der werkzeug- und anlagentechnische Aufwand für den Betrieb mit einer variothermen Temperierung.
Ein Verfahren, mit dem folien- oder plattenförmige Halbzeuge aus thermoplastischen Kunststoffen mit mikrostrukturierten Oberflächen versehen werden können, ist das Heißprägen. Mit diesem Pressverfahren werden in Verbindung mit hohen Führungs- und Positioniergenauigkeiten der Prägewerkzeuge sowie der Evakuierung des Prägebereiches qualitativ sehr hochwertige Abformungen erzielt. Es lassen sich Mikrostrukturen mit einem hohen Aspektverhältnis und homogener Füllung mit geringen inneren Spannungen und strukturellen Deformationen erstellen.
Der Mangel beim Heißprägen resultiert aus dem variothermen Prozessverlauf durch das Aufheizen und Abkühlen der Prägewerkzeuge. Daraus ergeben sich Zykluszeiten von mehreren Minuten, die einer wirtschaftlichen Fertigung entgegen stehen. Für die Entwicklung von entsprechenden Heißprägeanlagen ist ein großer anlagentechnischer Aufwand erforderlich, da sehr hohe Genauigkeiten bezüglich der Plattenführung, der Positioniergenauigkeit und der Temperatureinstellungen erreicht werden müssen. Der Gesamtaufwand steigt überproportional an, wenn größere Maschinen zum Prägen großer Flächen eingesetzt werden, um in einem Schritt mehrere Formteile gleichzeitig zu strukturieren. Mit verfügbaren Anlagen wird zudem nur das Prägen von einzelnen Folienstücken ermöglicht, die manuell oder über Handlingsysteme den Prägeanlagen zugeführt und entnommen werden. Eine Strukturierung von Folienbändern in einem diskontinuierlichen Prozess, auch als Rolle-zu-Rolle-Verfahren bezeichnet, ist mit konventionellen Heißprägeanlagen nicht durchführbar.
In DE 101 02 501 C2 wird das Extrusions- oder Walzenprägen beschrieben, bei dem Folienbänder aus Kunststoff durch den Einsatz von strukturierten Kalanderwalzen mit einer Mikrostruktur versehen werden. Damit ist ein kontinuierliches Prägen mit einer hohen Durchsatzrate möglich. Zur Aufschmelzung der Kunststofffolie wird diese unmittelbar vor dem Kontakt mit der strukturierten Walze durch eine geeignete Heizvorrichtung aufgewärmt. Als Heizung wird ein Wärmestrahler eingesetzt. Für die Aufschmelzung des Folienbandes wird auch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall beschrieben. Der Teil dieser Vorrichtung zur Erzeugung von Ultraschall, der an das Fo lienband angedrückt wird, wird als Sonotrode bezeichnet. Durch die Schwingung der Sonotrode mit Frequenzen im Ultraschallbereich wird die Aufschmelzung des Kunststoffes erzielt.
Beim Walzenprägen ergeben sich Mängel, die einerseits aus dem sehr hohen Fertigungsaufwand zur Herstellung der konturbildenden Kalanderwalzen resultieren. Es können nur einfache Konturen mit niedrigen Aspektverhältnissen < 1 in die Walzenoberfläche eingearbeitet werden. Weiterhin lassen sich ausschließlich dünnwandige Substrate mit geringer Biegesteifigkeit, wie Folien, strukturieren und keine Platten. Je nach Abmaßen und Gestalt der Konturen fällt die Abformgenauigkeit gering aus, die aus der Entformung während der Abrollbewegung der Walze auf dem Kunststoffsubstrat resultiert. Zudem ist das Kunststoffsubstrat stets einer Biegebeanspruchung ausgesetzt, zunächst während dem Prägen auf der gekrümmten Walzenoberfläche, dann bei der Entformung durch Abzug oder Abrollen der geprägten Folie von der Walze.
Ein anderes Verfahren zur Fertigung von mikrostrukturierten Kunststoffformteilen kombiniert das Spritzgießverfahren mit einer Technologie zur Aufschmelzung mit Kurzwellen. In einer Vorrichtung, die in DE 202 15 458 U1 beschrieben wird, ist eine Einheit zur Erzeugung und Übertragung von Kurzwellen in einem Spritzgießwerkzeug platziert. Der in der Werkzeugkavität befindliche Teil der Einheit wird mit einer Mikrostruktur versehen und verursacht eine partielle Erwärmung der Schmelze im Spritzgießwerkzeug im Bereich der Mikrostrukturen. Es lassen sich große Stückzahlen wirtschaftlich fertigen, vergleichbar mit einem Standard-Spritzgießprozess. Aufgrund der Einkopplung zusätzlicher Energie durch die Erzeugung von Kurzwellen erhöhen sich die Zykluszeiten nur geringfügig im Vergleich zum Spritzgießen.
Bei der Spritzgießtechnologie mit Einkopplung von Kurzwellen ergeben sich Mängel durch die erforderliche Maschinen- und Werkzeugtechnik. Es ist ein kompletter Spritzgießautomat erforderlich, mit dem die Kunststoffschmelze in einer Plastifiziereinheit separat erzeugt und in ein Spritzgießwerkzeug eingespritzt wird. In dieses Spritzgießwerkzeug wird die Technologie zur Erzeugung von Kurzwellen integriert, wodurch hohe Kosten verursacht werden. Ein weiterer Mangel besteht in den hohen Einspritzdrücken, mit denen die Kunststoffschmelze in das Spritzgießwerkzeug eingespritzt wird, und die eine Schädigung der Mikrostrukturen im Werkzeug verursachen können.
Ein weiterer Mangel dieser Technologie besteht darin, dass die Fertigung von folienartigen Formteilen durch das sehr hohe Verhältnis zwischen Fließweglänge und Wanddi cke nur durch Sonderverfahren realisiert werden kann, z. B. durch variotherme Prozessführung, wodurch sich eine deutliche Reduzierung der Wirtschaftlichkeit aufgrund des hohen anlagentechnischen Aufwandes sowie durch erhöhte Zykluszeiten ergibt.
Die Mikrostrukturierung von Kunststoffhalbzeugen durch direkte Einkopplung von Ultraschall ist beschrieben worden in der Veröffentlichung von Liu S.-J., Dung Y.-T.: Hot Embossing Precise Structure onto Plastic Plates by Ultrasonic Vibration, Polymer Engineering and Science, 2005, pp. 915–925, Society of Plastics Engineers. Dabei wird ein plattenförmiges Kunststoffsubstrat mit einer Dicke von mindestens 2 mm zwischen einer Ultraschallsonotrode und einem strukturierten Amboss platziert. Das Kunststoffsubstrat wird von der Sonotrode an den Amboss angedrückt. Durch die Schwingung der Sonotrode wird im Kunststoff Wärme durch innere Reibung erzeugt, die zur Aufschmelzung des Kunststoffes führt. Der Kunststoff füllt die Strukturen auf der Ambossoberfläche aus. Unter Druck wird die Sonotrodenschwingung abgeschaltet und die Zufuhr der Ultraschallenergie unterbrochen. Die Abkühlung des Kunststoffsubstrates und die Erstarrung der Schmelze erfolgt, indem die im Kunststoff enthaltene Wärme über die Sonotrode und über den Amboss, die beide aus metallischen Werkstoffen bestehen, abgeleitet wird. Das strukturierte Substrat kann anschließend entformt werden.
Der Mangel der beschriebenen Ausführung zur Strukturierung von Kunststoffoberflächen durch Aufschmelzung mit Ultraschall besteht darin, dass nur Kunststoffplatten ab einer Dicke von 2 mm strukturiert werden. Weiterhin werden nur Strukturen erzeugt, die laterale Abmaße von mindestens 1 mm aufweisen, und keine Mikrostrukturen im Bereich zwischen 10 µm und 500 µm.
Als weiterer Mangel wird die Beschränkung auf thermoplastische Standardkunststoffe, wie Polyethylen, Polypropylen und Polyvinylchlorid, sowie technische Thermoplaste, wie Polymethymethacrylat, angesehen. Eine Einbeziehung von Hochleistungskunststoffen, wie z. B. flüssigkristalline Polymere, Polyetheretherketon oder Polyetherimid, erfolgt nicht.
Zudem werden sehr einfache, pyramidenförmige Strukturen erzeugt, die für Testzwecke einsetzbar sind, aber keine anwendungstechnische Bedeutung aufweisen. Technisch relevante Strukturen, wie z. B. kanalartige Konturen für mikrofluidische Applikationen, werden nicht berücksichtigt.
Eine weitere Einschränkung der Ausführung ergibt sich dadurch, dass die Strukturierung des Kunststoffsubstrates nur von einer Seite erfolgt. Bei vielen technischen An wendungen ist es jedoch erforderlich, Kunststoffsubstrate beidseitig mit Mikrostrukturen zu versehen. Eine beidseitige Strukturierung von Folien und dünnen Platten ist mit diesem Verfahren nicht möglich.
Aus der Betriebspraxis ist bekannt, dass die Abformung von Mikrostrukturen unter Vakuum deutlich bessere Ergebnisse liefert als unter atmosphärischen Bedingungen. Fehler, wie beispielsweise Lufteinschlüsse oder Schlieren, können so vermieden werden. Konstruktiv bedingt ist es in den meisten Fällen nicht möglich, das Entweichen der Luft aus den mikrostrukturierten Konturen zu realisieren.
Die Entformung des strukturierten Kunststoffsubstrates ergibt Probleme, wenn die Konturen der strukturbildenden Werkzeuge, z. B. des Ambosses, nicht über Entformungsschrägen verfügen, und der eingesetzte Kunststoff hohe Schwindungswerte bei dessen Abkühlprozess aufweist. Besonders bei dünnwandigen Substraten ergeben sich oft Deformationen, wenn mechanische Entformungshilfen zum Abheben der geprägten Proben eingesetzt werden, die zudem außerhalb der strukturierten Bereiche wirken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen in die Oberfläche von Formteilen und flächigen Halbzeugen aus Kunststoffen innerhalb einer geringen Zykluszeit Mikrostrukturen mit hoher Abformgenauigkeit eingebracht werden können, wobei wirtschaftliche und verfahrenstechnische Vorzüge miteinander verbunden werden. Die Strukturierung soll vorzugsweise bei dünnwandigen Substraten, Folien und Platten, aus thermoplastischen Kunststoffen erfolgen. Es ist die Mikrostrukturierung einer Seite, aber auch beidseitig in einem Prägevorgang zu realisieren. Neben Halbzeugen sollen auch Formteile aus thermoplastischen Kunststoffen mit Mikrostrukturen versehen werden können. Mit einer vergleichsweise kostengünstigen Maschinentechnik sollen Zykluszeiten, erreicht werden, die geringer sind als bei den im Stand der Technik genannten Verfahren.
Das Aufschmelzen, des thermoplastischen Kunststoffsubstrates soll dabei durch die Einkopplung von Ultraschallenergie, analog dem Ultraschallschweißen von Kunststoffteilen, erfolgen, bei dem die Fügepartner im Bereich der Kontaktfläche innerhalb von wenigen Sekunden angeschmolzen werden. Die Prägevorrichtung soll über eine hohe Präzision hinsichtlich der Führungs- und Positioniergenauigkeit sowie der Druckeinstellung verfügen, die zur Abformung von Mikrostrukturen mit Abmaßen im μm-Bereich auf Oberflächen von Kunststoffhalbzeugen und Kunststoffteilen in hoher Qualität erforder lich ist.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren soll ein Kunststoffsubstrat in Form einer Platte oder Folie auf der Oberfläche mit Mikrostrukturen versehen werden. Dafür muss die Oberfläche des thermoplastischen Werkstoffes in einen schmelzflüssigen Zustand überführt werden. Die erforderliche Wärme zum Aufschmelzen der zu strukturierenden Bereiche wird durch die Einkopplung von Ultraschallenergie erzeugt.
Eine Ultraschallsonotrode wird in Schwingungen versetzt und mit dem freien schwingenden Ende unter definiertem Druck in Richtung eines Ambosses gepresst. Zwischen Ultraschallsonotrode und Amboss befindet sich das Kunststoffsubstrat. Die Mikrostrukturen können sich dabei auf der Sonotrodenoberfläche, auf der Ambossoberfläche oder zur doppelseitigen Strukturierung auf beiden Flächen befinden.
Durch die Schwingung der Sonotrode und den Druck der Sonotrode auf das Substrat wird im Kunststoff durch innere Reibung Wärme erzeugt, die eine Aufschmelzung des Kunststoffes bewirkt. Die Temperatur des Kunststoffsubstrates muss dabei so weit ansteigen, dass sich der Kunststoff plastisch verformen kann. Bei teilkristallinen Thermoplasten, wie z. B. Polyethylen oder Polypropylen, muss die Schmelztemperatur und bei amorphen Thermoplasten, wie z. B. Polycarbonat, Polymethylmethacrylat oder Polystyrol, die Glasübergangstemperatur überschritten werden.
Durch den Druck der Sonotrode auf die Kunststoffschmelze werden die Mikrostrukturen auf der Ambossoberfläche bzw. auf der Sonotrodenfläche ausgefüllt. Nach dem Abschalten des Ultraschalls bleibt der Druck zwischen Sonotrode und Amboss auf das Kunststoffsubstrat bestehen, bis die Temperatur des Substrates unter dessen Glasübergangs- bzw. Schmelztemperatur gesunken und das Substrat erstarrt ist. Die Ableitung der erzeugten Wärme erfolgt über die Sonotrode und den Amboss, die aus metallischen Werkstoffen gefertigt werden. Zudem wird der Amboss temperiert, so dass bei einer zunehmenden Aufheizung die eingekoppelte Wärme abgeführt wird. Der Abkühlvorgang bewegt sich im Bereich weniger Sekunden, da wenig Wärme im dünnwandigen Kunststoffsubstrat gespeichert wird. Nach Abschluss des Prägevorganges wird die Sonotrode vom Amboss wegbewegt und die Entformung des strukturierten Substrates durchgeführt.
Das Kunststoffsubstrat ist vor dem Prägen auf dem Amboss zu fixieren, da durch die Schwingung der Sonotrode während des Prägevorganges ein Abgleiten des Substrates von der ursprünglichen Position erfolgen kann. Die Fixierung wird durch Niederhalter realisiert, die vor der Abwärtsbewegung der Sonotrode das Substrat an den Amboss andrücken. Nach erfolgtem Prägevorgang werden die Niederhalter wieder zurück bewegt, und das strukturierte Substrat kann entnommen werden.
Sollen anstelle einzelner Substratstücke Folienbänder beliebiger Länge diskontinuierlich mit Mikrostrukturen versehen werden, dann ist eine entsprechende Transportvorrichtung einzusetzen. Einsatzmöglichkeiten ergeben sich beispielsweise beim so genannten Rolle-zu-Rolle-Verfahren, bei dem ein Endlosband in einem kontinuierlichen Prozess mehrere Stationen durchläuft und weiterverarbeitet wird. Der Prägeprozess erfolgt meist zu Beginn dieses Gesamtprozesses. Pro Prägevorgang wird nur ein Strukturierungsprozess durchgeführt. Für die Durchführung des nächsten Prägevorganges wird das Folienband in einem Schritt durch eine Vorschubvorrichtung mindestens um die Länge der zu prägenden Struktur weiter transportiert.
Für die Optimierung des durchzuführenden Prägevorganges bei gleichzeitiger Verringerung der Zykluszeit wird das Substrat vor dem Prägen über eine Heizvorrichtung vorgewärmt. Die Temperatur des Substrates darf dabei nur so weit ansteigen, dass keine vollständige Aufschmelzung des Kunststoffes erfolgt. Durch die Zufuhr von Wärme vor dem eigentlichen Prägeprozess verringert sich die Zeit, in der das Substrat durch Ultraschalleinkopplung in den plastischen Zustand überführt werden muss. Die erreichte Reduzierung der Zykluszeit wird bei einem hohen Probendurchsatz mit vielen aufeinander folgenden Prägevorgängen wirksam.
Wird zur Erzeugung des Folienbandes ein Extruder eingesetzt, so wird nicht nur das Substrat unmittelbar vor dem Prägeprozess hergestellt, es kann auch die im Substrat enthaltene Restwärme genutzt werden. Ein Vorheizen des Substrates durch eine separate Heizvorrichtung kann dadurch entfallen. Über Kalanderwalzen wird die Dicke des Substrates bestimmt und dieses zur Prägevorrichtung transportiert. Die jeweilige Breite des Folienbandes wird von dem eingesetzten Extrusionswerkzeug bestimmt. Die Einstellung der Breite kann nach der Extrusion auch durch inline-Beschnitt erfolgen.
Zur Verbesserung der Abformungsqualität kann vor dem Prägeprozess Vakuum angelegt werden, so dass eine Entlüftung des zu strukturierenden Bereiches realisiert wird. Luft, die sich zwischen den Mikrostrukturen des Ambosses und dem Kunststoffsubstrat befindet, wird über Kanäle oder Schlitze abgeführt, und es lassen sich Fehler, wie Lufteinschlüsse, vermeiden.
Eine gleichmäßige Entformung der geprägten Proben ohne Deformationen lässt sich dadurch realisieren, dass Luft zwischen Amboss und Substrat mit einem definierten Druck eingeleitet wird und das Substrat von dem strukturierten Werkzeug abhebt. Da nur ein geringes Volumen be- bzw. entlüftet wird, ergibt sich nur eine geringfügige Erhöhung der Zykluszeit.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Ultraschallprägens besteht aus den Grundkomponenten Ultraschall-(US)Einheit und dem gegenüberliegenden Amboss. Die US-Einheit selbst ist zusammengesetzt aus einem Konverter zur Erzeugung der mechanischen Schwingungen, einem Booster für die Übertragung und Verstärkung der Schwingungen sowie als Einspannung für die gesamte US-Einheit und der Sonotrode, welche die Schwingungen auf das Kunststoffsubstrat überträgt. Die Ansteuerung der US-Einheit erfolgt über einen US-Generator. Die US-Einheit ist über eine einachsige Führungseinheit beweglich angeordnet, mit der eine vertikale Auf- und Abwärtsbewegung mit hoher Präzision realisiert und ein definierter Druck auf das Substrat ausgeübt werden kann.
Die zu prägende Mikrostruktur befindet sich entweder auf der frei schwingenden Sonotrodenfläche, auf der Ambossoberseite oder auf der Sonotrode und dem Amboss gleichzeitig. Wird der Amboss mit einer strukturierten Oberfläche versehen, so finden auch die Bezeichnungen Formwerkzeug oder Prägewerkzeug Verwendung.
Damit die Oberflächen von Amboss und Sonotrode stets planparallel aufeinander zubewegt werden, verfügt die Werkzeugaufnahme über eine Nivellierung. Über Feinverstellschrauben lässt sich eine Verkippung der Werkzeugaufnahme so realisieren, dass der daran befestigte Amboss parallel zur wirksamen Sonotrodenfläche ausgerichtet werden kann.
Das Einbringen der Mikrostrukturen auf der Oberfläche der Sonotrode bzw. des Ambosses kann durch Verfahren, wie mechanische Bearbeitung, Funkenerosion oder Laserablation, erfolgen. Für den Amboss besteht zudem die Möglichkeit zur Fertigung durch galvanische Abformung. Es lassen sich Strukturgrößen im Mikrometerbereich, < 100 µm, und Aspektverhältnisse > 1 herstellen.
Das zu prägende Kunststoffsubstrat wird zwischen US-Einheit und Amboss positioniert. Das Andrücken und Fixieren des Kunststoffsubstrates während des Prägens erfolgt durch Niederhalter, die an der Werkzeughalterung befestigt sind und vertikal bewegt werden können. Die Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Niederhalter ist zeitlich mit dem Transport des Substrates sowie mit der vertikalen Bewegung der Ultraschalleinheit abgestimmt.
Zur Koordinierung der gesamten Prozessschritte in einem Prägezyklus wird eine speicherprogrammierbare Steuerung eingesetzt, die eine variable Einstellung der Prozessparameter in Abhängigkeit von dem verwendeten Substrat, dessen Abmessungen sowie der Größe und Gestaltung der Mikrostrukturen ermöglicht. Zu diesen Prozessparametern gehören die Amplitude, Startpunkt und die Dauer der Sonotrodenschwingung, die vertikale Position, Geschwindigkeit und Anpresskraft der US-Einheit, die Ambosstemperatur, die Bewegung der Niederhalter sowie Vorschub des Folienbandes.
Die Evakuierung des mikrostrukturierten Bereiches wird durch Anlegen von Vakuum über Kanäle oder Schlitze im Amboss realisiert. Eine Evakuierung ist damit nur auf der Ambossseite möglich. Die Entformung des strukturierten Kunststoffsubstrates kann dadurch erfolgen, dass durch diese Kanäle Druckluft eingeleitet wird und der entstehende Druck das Formteil von den Mikrostrukturen abhebt.
Werden Folienbänder vorzugsweise mit einer Dicke < 1 mm und beliebiger Länge für die Strukturierung eingesetzt, dann können die Substrate durch eine geeignete Transportvorrichtung schrittweise bewegt werden. Diese Vorrichtung besteht aus paarweise angeordneten Transportwalzen, die vor sowie nach der Prägevorrichtung angebracht werden. Dadurch wird eine Erhöhung des Automatisierungsgrades ermöglicht, wodurch keine manuelle Beschickung erforderlich ist und ein höherer Probendurchsatz pro Zeiteinheit erreicht werden kann. Die Folienbänder können sich im aufgewickelten Zustand auf einer Rolle befinden und durch Abrollen dem Prägeprozess zugeführt werden. Zwischen dem Transportwalzenpaar, das vor der Prägevorrichtung angebracht ist, und der Prägevorrichtung kann eine Heizvorrichtung angebracht werden, mit der eine Vorwärmung des Substrates erreicht wird. Als Heizelemente dienen flächige Keramik-, Quarz- oder Halogenstrahler oder ein Heißluftgebläse.
Die Fertigung der Folienbänder kann unmittelbar vor dem Prägeprozess erfolgen, indem ein Extruder eingesetzt wird. Dieser führt dem Gesamtprozess ein flaches, dünnwandiges Substrat zu, das über Kalanderwalzen geführt, dort herunter gekühlt und mit einer definierten Dicke versehen wird. Die Heizvorrichtung vor der Prägevorrichtung kann entfallen, wenn im Substrat verbliebene Restwärme aus dem Extrusionsprozess genutzt wird.
Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen:
1: Schematischer Aufbau der Prägevorrichtung
2: Vergrößerte Darstellung der Prägevorrichtung im Bereich Sonotrode und Am boss
3: Prägevorrichtung mit Zuführung eines endlosen Kunststoffbandes von einer Rolle
4: Prägevorrichtung mit Zuführung eines direkt extrudierten Kunststoffsubstrates
Zum Prägen von Mikrostrukturen durch Einkopplung von Ultraschall (US) ist eine Vorrichtung zu schaffen, wie sie in 1 dargestellt ist. Eine US-Einheit, bestehend aus dem Konverter, einem Übertragungs- bzw. Verstärkungselement 1 sowie aus der Sonotrode 2, wird über einen geeigneten Antrieb und Führungen 3 in vertikaler Richtung bewegt. Die Frequenz der US-Schwingung ist für jedes US-System festgelegt und beträgt 20 kHz, 30 kHz, 40 kHz oder 70 kHz.
Zwischen der schwingenden Sonotrode 2 und einem Amboss 4 wird ein Kunststoffsubstrat 5 platziert, das je nach Dicke als Platte oder Folie vorliegt. Auf der Oberseite des Ambosses 4 befinden sich die abzuformenden Mikrostrukturen 6. Auch auf der schwingenden Fläche der Sonotrode 2 können Mikrostrukturen 6 eingearbeitet sein, wenn eine beidseitige Strukturierung des Kunststoffsubstrates 5 erfolgen soll. Der Amboss 4 befindet sich auf einer Werkzeugaufnahme 7, deren parallele Ausrichtung zur Sonotrodenfläche über eine nicht weiter dargestellte Nivellierung erfolgt.
Bei den Mikrostrukturen 6 handelt es sich um Konturen, die je nach Anwendung steg- oder pyramidenförmig, zylindrisch oder sphärisch ausgeführt sein können. Die Abmaße dieser Konturen, wie Breite und Höhe, sind ebenfalls vom konkreten Anwendungsfall abhängig und bewegen sich im Bereich zwischen 10 µm und 100 µm. Die Fläche des strukturierten Bereiches beträgt minimal wenige mm². Maximal ergibt sich eine Fläche von 50 mm × 50 mm.
Der Amboss 4 wird temperiert, damit die entstehende Prozesswärme abgeleitet werden kann sowie die Einstellung konstanter thermischer Bedingungen ermöglicht wird. Die Temperierung erfolgt über Temperierkanäle 8 mit einem Flüssigmedium über ein externes Temperiergerät, 2. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine elektrische Aufheizung des Ambosses 4 durch Verwendung von Heizpatronen und eine Kühlung mit Druckluft zu realisieren. Die Höhe der jeweiligen Temperatur hängt von dem eingesetzten Kunststoffsubstrat ab. Es werden Werte zwischen 50°C und 250°C erreicht.
Während des Prägevorganges muss das Kunststoffsubstrat 5 fixiert werden, um ein Abgleiten des Substrates von der ursprünglichen Position durch die Ultraschallschwingun gen zu vermeiden. Hierzu werden Niederhalter 9 verwendet, die das Substrat 5 gegen den Amboss 4 durch eine vertikale Abwärtsbewegung drücken. Nach Ablauf des Prägeprozesses werden die Niederhalter 9 vom geprägten Substrat abgehoben, und die Probe kann entformt werden.
Die Koordinierung der gesamten Prozessschritte eines Prägezyklusses übernimmt eine speicherprogrammierbare Steuerung, die eine variable Einstellung der Prozessparameter ermöglicht. Hierzu zählen im Wesentlichen die US-Amplitude, Startpunkt und Dauer der Sonotrodenschwingung, die vertikale Position, Geschwindigkeit und Anpresskraft der US-Einheit, die Ambosstemperatur, die Bewegung der Niederhalter sowie Vorschub des Folienbandes. Die Höhe dieser Parameter hängt von dem verwendeten thermoplastischen Kunststoffsubstrat 5, dessen Abmessungen sowie der Größe und Gestaltung der Mikrostrukturen 6 ab.
Zur Vermeidung von Lufteinschlüssen wird zwischen den Mikrostrukturen 6 des Ambosses 4 und dem Kunststoffsubstrat 5 über Kanäle 10 oder Schlitze Vakuum angelegt, 2. Die Entformung des strukturierten Kunststoffsubstrates kann dadurch erfolgen, dass durch diese Kanäle 10 Druckluft eingeleitet wird und der entstehende Druck das Formteil von den Mikrostrukturen abhebt.
In einer weiteren Ausführung wird die Vorrichtung zum Prägen von einem endlosen ein- oder mehrschichtigen Folienband 11 eingesetzt, 3. Ein Vorteil ergibt sich durch die fortlaufende Strukturierung einzelner Formteile, wodurch kürzere Gesamtzykluszeiten eine höhere Wirtschaftlichkeit hervorrufen. Zudem wird dadurch eine Einbindung dieser Anordnung in einen Prozess mit Rolle-zu-Rolle-Technologie ermöglicht, mit der flexible Bauteile in mehreren hintereinander geschalteten Prozessschritten auf einem endlosen Trägersubstrat gefertigt werden.
Hierzu wird die beschriebene Vorrichtung durch eine Transporteinheit erweitert, welche aus vorzugsweise zwei Walzenpaaren 12 besteht, die vor und nach der Prägevorrichtung angeordnet sind und den Transport des Folienbandes 11 ermöglicht. Die Bewegung des folienartigen Kunststoffsubstrates 11 erfolgt diskontinuierlich, so dass nur zwischen den erfolgten Prägungen ein Weitertransport stattfindet. Eine Optimierung des Gesamtprozesses wird durch das Vorheizen des Kunststoffsubstrates mit einer Heizeinrichtung 13 erreicht. Es werden flächige Keramik-, Quarz- oder Halogenstrahler oder ein Heißluftgebläse eingesetzt, um eine Anhebung der Substrattemperatur vor dem eigentlichen Prägeprozess zu erzielen. Damit lassen sich optimale Prozessparameter unter Verringerung des erforderlichen Wärmeeintrages durch den Ultraschall sowie bei einer Verringerung der Gesamtzykluszeit einstellen.
Eine weitere Ausgestaltung der Prägevorrichtung besteht darin, dass das Folienband 11 direkt durch Extrusion hergestellt und dem Prägeprozess zugeführt wird. Dazu wird ein Extruder 14 mit einem entsprechenden Werkzeug zur Fertigung von dünnwandigen Halbzeugen vor der Prägevorrichtung platziert. Der Schmelzestrang aus dem Extruder wird über eine geeignete Kalandriervorrichtung 15 geführt, dort gekühlt und direkt der Prägevorrichtung zugeführt. Eine separate Transporteinheit vor der Prägevorrichtung entfällt damit. Soll die im Folienband 11 enthaltene Restwärme aus dem Extrusionsprozess für den Prägeprozess mit genutzt werden, dann ist dem Kunststoff weniger Wärme über die Kalandriervorrichtung 15 zu entziehen. Die Temperatur des Folienbandes 11 nimmt dann einen Wert an, der zwischen der Umgebungstemperatur und der Schmelz- bzw. Glasübergangsemperatur des verwendeten Kunststoffes liegt. Bei Nutzung der Restwärme entfällt die separate Vorrichtung zur Aufheizung des Folienbandes.
Zur Durchführung eines Prägeprozesses wird ein Kunststoffsubstrat 5 manuell oder maschinell als dünne Platte mit einer Dicke zwischen 500 µm und 2 mm oder als Folie mit einer Dicke kleiner als 500 µm der Prägevorrichtung zugeführt. Es handelt sich entweder um ein einzelnes zu strukturierendes Substratstück, das manuell oder mit einem Handlingsystem in die Prägevorrichtung eingelegt wird. Oder es wird ein Endlos-Folienband verwendet, welches entweder von einer Rolle abgewickelt oder von einem Extruder 14 gefertigt und über eine Kalandriervorrichtung 15 zur Prägevorrichtung transportiert wird. In der Prägevorrichtung wird das Kunststoffsubstrat 5 auf dem mikrostrukturierten Amboss 4 durch Niederhalter 9 fixiert. Das Anlegen von Vakuum über den Amboss 4 erlaubt neben der zusätzlichen Fixierung des Substrates eine Evakuierung der Mikrostrukturen 6 auf der Ambossseite. Die Höhe und Breite der Mikrostrukturen 6, welche sich auf der Ambossoberseite und auf der schwingenden Sonotrodenfläche befinden, betragen mindestens 10 µm und höchstens 100 µm. Die Größe der Prägefläche wird durch die Größe der schwingenden Sonotrodenfläche bestimmt und beträgt beispielsweise 30 mm × 30 mm.
Zur Durchführung des Prägeprozesses wird die Ultraschalleinheit mit der Sonotrode 2 durch vertikale Abwärtsbewegung an das Substrat herangeführt und dadurch das Subs trat gegen den Amboss gepresst. Die Sonotrode wird in Schwingungen mit einer Frequenz, z. B. von 40 kHz, versetzt. Dadurch wird im Substrat Wärme erzeugt, die eine Aufheizung des Kunststoffsubstrates 5 bis über dessen Schmelz- bzw. Glasübergangstemperatur und somit dessen Aufschmelzung bewirkt. Durch den Druck auf die Kunststoffschmelze füllt diese die vorgegebenen Mikrostrukturen aus.
Der Aufschmelzvorgang dauert ca. 2 s. Anschließend wird die Ultraschallschwingung abgeschaltet. Die Anpresskraft durch die Sonotrode auf den Kunststoff wird solange aufrecht erhalten, bis das erzeugte Formteil abgekühlt und erstarrt ist. Die Wärmeableitung erfolgt über die Sonotrode 2 und den temperierten Amboss 4. Danach kann eine Entformung erfolgen, indem über die Kanäle 10 Druckluft eingeblasen wird und das geprägte Formteil vom Amboss abgehoben wird. Nach Entnahme des Formteiles erfolgt die Platzierung eines unstrukturierten Substrates zur Durchführung eines weiteren Prägeprozesses. Die Zykluszeit für einen Gesamtablauf beträgt maximal 10 s.

1: Konverter mit Übertragungs- bzw. Verstärkungselement
2: Sonotrode
3: Führungen
4: Amboss
5: Kunststoffsubstrat
6: Mikrostrukturen
7: Werkzeugaufnahme
8: Temperierkanäle
9: Niederhalter
10: Kanäle
11: Folienband
12: Walzenpaare
13: Heizeinrichtung
14: Extruder
15: Kalandriervorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10102501 C2 [0015]
- DE 20215458 U1 [0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Liu S.-J., Dung Y.-T.: Hot Embossing Precise Structure onto Plastic Plates by Ultrasonic Vibration, Polymer Engineering and Science, 2005, pp. 915–925, Society of Plastics Engineers [0020]

Claims

Verfahren zum Prägen von Mikrostrukturen in flächige thermoplastische Kunststoffhalbzeuge, wie Platten oder Folien, oder in die Oberflächen von Kunststoffteilen, wobei das Aufschmelzen der Kunststoffoberfläche durch die Einkopplung von Ultraschallenergie erfolgt, die von einer Ultraschalleinheit, bestehend aus dem Ultraschallkonverter zur Erzeugung der mechanischen Schwingungen, dem Booster für die Verstärkung und Übertragung der Schwingungen und der Sonotrode zur Einleitung der Schwingungen in die Kunststoffoberfläche, erzeugt wird, wobei die Sonotrode mit dem Amboss zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Mikrostrukturen auf der Sonotrodenoberfläche, auf der Ambossoberfläche oder zur doppelseitigen Strukturierung des Kunststoffsubstrates auf beiden Flächen befinden und das Kunststoffsubstrat zwischen der Sonotrode und dem Amboss platziert ist und die Sonotrode mit einer definierten Frequenz, mit einem definierten Druck und in einer definierten Zeit in Richtung des Ambosses gepresst wird, bis sich das Kunststoffsubstrat durch Wärmeerzeugung plastisch verformt und die Abformung der Mikrostrukturen in das Kunststoffsubstrat direkt erfolgt, wobei bei teilkristallinen Thermoplasten die Schmelztemperatur und bei amorphen Thermoplasten die Glasübergangstemperatur überschritten werden muss, dass nach dem Abschalten des Ultraschalls der Druck zwischen Sonotrode und Amboss auf das Kunststoffsubstrat solange aufrecht erhalten wird, bis die Temperatur des Kunststoffsubstrates unter dessen Schmelztemperatur bzw. Glasübergangstemperatur gesunken ist und das Kunststoffsubstrat erstarrt ist und dass nach dem Abschluss des Prägevorganges die Sonotrode vom Amboss wegbewegt wird und die Entformung des strukturierten Kunststoffsubstrates erfolgt.
Verfahren zum Prägen von Mikrostrukturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung der erzeugten Wärme über die metallische Sonotrode und den metallischen Amboss erfolgt und dass der Amboss durch gasförmige oder flüssige Medien temperiert wird.
Verfahren zum Prägen von Mikrostrukturen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffsubstrat vor und/oder während des Prägevorganges durch Niederhalter auf dem Amboss fixiert wird, und dass vor dem Prägeprozess am Amboss zur Entlüftung des zu strukturierenden Bereiches, zwischen Kunststoffsubstrat und Mikrostruktur des Ambosses, ein Vakuum angelegt und die Luft über Kanäle oder Schlitze im Amboss abgeführt wird, und dass zur gleichmäßigen, deformationsfreien Entformung des geprägten Kunststoffsubstrates über Kanäle oder Schlitze im Amboss Luft mit einem definierten Druck zwischen der Mikrostruktur im Amboss und dem Kunststoffsubstrat eingeleitet wird.
Verfahren zum Prägen von Mikrostrukturen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Prägen eines Folienbandes beliebiger Länge eine Transportvorrichtung vorgesehen ist und pro Prägevorgang nur ein Strukturierungsprozess erfolgt, wobei das Folienband zur Durchführung des nächsten Prägevorganges von einer Rolle durch eine Vorschubvorrichtung in einem Schritt, mindestens um die Länge der zu prägenden Struktur, weitertransportiert wird.
Verfahren zum Prägen von Mikrostrukturen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienband vor dem Prägevorgang vorgewärmt wird und die Heizeinrichtung unmittelbar vor der Prägevorrichtung angeordnet ist, wobei die Temperatur dabei nur soweit ansteigen darf, dass kein vollständiges Aufschmelzen des Kunststoffes erfolgt.
Verfahren zum Prägen von Mikrostrukturen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffsubstrat unmittelbar vor dem Prägeprozess extrudiert wird, anschließend über Kalanderwalzen läuft, geglättet und auf eine definierte Dicke eingestellt wird, nachfolgend auf eine definierte Breite beschnitten wird und mit der Restwärme aus dem Extrusionsprozess der Prägevorrichtung zugeführt und geprägt wird.
Vorrichtung zum Prägen von Mikrostrukturen in flächige thermoplastische Kunststoffhalbzeuge, wie Platten oder Folien, oder in die Oberflächen von Kunststoffteilen, bestehend aus einer Führungseinheit mit einer daran angeordneten, einachsig vertikal beweglichen Ultraschalleinheit und einem der Ultraschalleinheit gegenüberliegenden Amboss, wobei die Ultraschalleinheit selbst zusammengesetzt ist aus einem Konverter zur Erzeugung der mechanischen Schwingungen, einem Booster zur Verstärkung und Übertragung der Schwingungen und einer Sonotrode, dadurch gekenn zeichnet, dass die zu prägende Mikrostruktur (6) entweder auf der frei schwingenden Stirnfläche der Sonotrode (2) oder auf der Oberseite des Ambosses (4) oder auf der Stirnfläche der Sonotrode (2) und der Oberseite des Ambosses (4) angeordnet ist, dass der Amboss (4) auf der Werkzeugaufnahme (7) angeordnet ist und die Werkzeugaufnahme (7) eine Nivellierung mit Feinverstellschrauben besitzt, dass das zu prägende Kunststoffsubstrat (5) zwischen der Sonotrode (2) und dem Amboss (4) platziert ist und an einer Werkzeughalterung Niederhalter (9) zum Andrücken und Fixieren des Kunststoffsubstrates angeordnet sind und die Aufwärts- und Abwärtsbewegung der Niederhalter (9) zeitlich mit dem Transport des Kunststoffsubstrates (5) und mit der vertikalen Bewegung der Ultraschalleinheit abgestimmt ist, dass im Amboss (4) Temperierkanäle (8) und/oder Kanäle (10) oder Schlitze angeordnet sind, wobei die Kanäle (10) oder Schlitze zur strukturbildenden Ambossoberseite hin offen sind und am gegenüberliegenden Ende Einrichtungen zum Anschluss einer Vakuum- oder Druckluftleitung besitzen, und dass zur Koordinierung der Prozessschritte in einem Prägezyklus eine speicherprogrammierbare Steuerung eingesetzt ist, die eine variable Einstellung der Prozessparameter in Abhängigkeit vom Kunststoffsubstrat (5), dessen Abmessungen sowie der Größe und Gestaltung der Mikrostrukturen ermöglicht, wobei zu den Prozessparametern die Amplitude, der Startpunkt und die Dauer der Sonotrodenschwingung, die vertikale Position, die Geschwindigkeit und die Anpresskraft der Ultraschalleinheit, die Ambosstemperatur, die Bewegung der Niederhalter (9) sowie der Vorschub des Kunststoffsubstrates (5), gehören.
Vorrichtung zum Prägen von Mikrostrukturen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar vor der Prägevorrichtung eine Heizeinrichtung (13) angeordnet ist und die Vorwärmung des Folienbandes (11) mittels Keramik-, Quarz- oder Halogenstrahlern oder durch ein Heißluftgebläse erfolgt.
Vorrichtung zum Prägen von Mikrostrukturen nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienband (11) durch eine Transportvorrichtung bestehend aus vor und nach der Prägevorrichtung angeordneten Walzenpaaren (12) transportiert wird.
Vorrichtung zum Prägen von Mikrostrukturen nach einem oder mehreren der An sprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Folienband (11) unmittelbar vor dem Prägeprozess extrudiert wird, nach dem Verlassen des Extruders (14) eine Kalandriervorrichtung (15) durchläuft und dann der Prägevorrichtung zugeführt wird, wobei der Extruder (14) und die Kalandriervorrichtung vor der Prägevorrichtung angeordnet sind.