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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren von Absaugöffnungen in Vakuum-Tiefziehwerkzeugen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Bohren von Absauglöchern in Vakuum-Tiefziehwerkzeugen.
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Vakuum-Tiefziehwerkzeuge finden vielfach Anwendung, insbesondere auch in der Verpackungstechnik. Sie dienen dazu, Kunststoffverpackungen herzustellen, die eine starke Konturierung bzw. ein starkes Relief aufweisen. Dies hat den Grund, dass durch diese reliefartige Ausgestaltung taschenförmige Bereiche erzeugt werden, die dann zur Aufnahme von Gegenständen dienen. Das Kunststoffmaterial kann dabei transparent sein, sodass der sich darunter befindende, eingepasste und gehaltene Gegenstand von der Außenseite gut sichtbar ist.
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Derartige Verpackungen werden mittels Vakuum-Tiefziehwerkzeugen erzeugt, die den Produkten entsprechenden komplementären Konturen aufweisen.
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Die Kosten für derartige Werkzeuge sind sehr hoch. Dies liegt zum einen daran, dass sie aus hochwertigem Aluminiumguss bestehen und zur Erzeugung der Werkzeuge entsprechend komplementäre, komplex aufgebaute Gießwerkzeuge notwendig sind. Zum anderen ergibt sich ein hoher Bearbeitungsaufwand zum Einbringen der Bohrungen durch die die Luft abgesaugt wird, damit sich die Folie an die Kontur des Werkzeugs anlegen kann.
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Erst durch das Absaugen des Luftpolsters zwischen dem Werkzeug und der thermoplastischen Folie kann sich die erwärmte und damit verformbare Folie am Werkzeug anlegen. Durch den wiederkehrenden Kontakt von warmer Folie und Werkzeug wird das Werkzeug ohne Kühlung zu heiß. Deshalb wird weiterhin vorgesehen, das Werkzeug zu kühlen, was beispielsweise durch flüssige Medien erfolgen kann.
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Durch den wiederkehrenden Kontakt von warmer Folie mit dem Werkzeug aus Aluminium wird dieses erwärmt, bzw. würde ohne Kühlung zu heiß werden und die Tiefziehfolie könnte sich nicht an der Form abkühlen und somit die gewünschte Form abbilden.
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Die Durchmesser der Vakuum-Absaugöffnungen müssen sehr klein gewählt werden, um den Vakuum-Tiefziehprozess zu verwirklichen. Die Werkzeuge selbst haben eine stabile Grundplatte, auf der sich die Konturen befinden, was den Nachteil hat, dass relativ lange Absaugöffnungen erzeugt werden müssen. Aufgrund der geringen Durchmesser, beispielsweise 0,5 bis 1 mm ergibt sich der fertigungstechnische Nachteil, dass mit so dünnen Bohrern gebohrt werden muss, bei denen die große Gefahr besteht, dass der Bohrer beim Bohren eines tieferen Loches abbricht.
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Deshalb werden von der Rückseite des Vakuum-Tiefziehwerkzeuges ebenfalls Bohrungen mit einem entsprechend größeren Durchmesser eingebracht und es soll diese Bohrung bis nahe an die Oberseite erfolgen, so dass nur noch ein kurzer Weg für die zu bohrende Bohrung der Vakuum-Absaugöffnung mit vorgenanntem kleinen Durchmesser übrig bleibt. Dabei besteht jedoch die Gefahr, dass bei nicht ganz exakter Vorschubeinstellung der von der Rückseite des Vakuum-Tiefziehwerkzeugs eingebrachten Bohrung, bis zur Oberseite durchgebohrt wird, was zu einer Funktionszerstörung der Vakuum-Absaugöffnung führt.
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Aufgrund der vorgenannten hohen Materialkosten der Tiefziehwerkzeuge werden dann solche Fehlbohrungen wieder aufwendig repariert, beispielsweise durch Aufschmelzen von neuem Material und erneutem Bohren von beiden Seiten. Dies führt jedoch nachteilig zu einem drastisch erhöhten Bearbeitungsaufwand und zu den hohen Werkzeugkosten.
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Die Schwierigkeiten beim Einbringen der Vakuum-Absaugöffnungen werden dadurch noch erhöht, dass sie vornehmlich in den Kantenbereichen der Vertiefungen einzubringen sind, wodurch ein senkrechtes Bohren von der Oberseite bezogen auf die Tiefziehwerkzeugebene nicht möglich ist, sondern die Absaugöffnungsachse schräg verläuft.
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Durch die positiven und negativen Erhebungen bzw. Vertiefungen der Werkzeuge ist nach heutigem Stand der Technik das Bohren der Löcher von der Stirn- bzw. Vorderseite nur manuell von Hand oder mit hohem Konstruktionsaufwand mit einer 5-Achsen CNC-Fräsmaschine möglich.
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Aus der
US 2006/0104734 A1 ist eine sich selbst einstellende Bohrvorrichtung bekannt, bei der eine Ausrichtung des Bohrers auf die Konturoberfläche des zu bohrenden Objektes vor dem eigentlichen Bohren erfolgt. Dabei wird das zu bohrende Objekt auf einen Tisch aufgesetzt und die Bohrvorrichtung über dem Objekt positioniert. Der Bohrer wird dann entsprechend senkrecht zu der Oberfläche ausgerichtet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bohren von Absaugöffnungen in Vakuum-Tiefziehwerkzeugen zu schaffen, mit dem die oben genannten Nachteile überwunden werden und damit eine deutliche Reduzierung der Herstellungskosten derartiger Tiefziehwerkzeuge erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bohren von Absaugöffnungen von Vakuum-Tiefziehwerkzeugen zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:
- – Auflegen des Tiefziehwerkzeugs mit der Rückseite auf eine ebene Messplatte, Ausrichten des Tiefziehwerkzeugs und Erfassen der Längs- und Stirnkanten mittels eines Messarms, der auf der Messplatte befestigt ist und über eine Schnittstelle per Draht oder drahtlos mit einem Rechner verbunden ist,
- – Auswählen der einzubringenden Absaugöffnungen auf der Vorderseite des Tiefziehwerkzeugs und kollisionsfreies Anfahren der zu bohrenden Stellen mit der Abtastspitze des Tastkopfes des Messarms sowie Erfassen der Koordinaten der jeweiligen Absaugöffnung und Übertragen der Daten an den Rechner,
- – Berechnen der Koordinaten der zu bohrenden Absaugöffnungen sowohl von der Vorderseite aus als auch von der Rückseite des Tiefziehwerkzeugs und Übertragen der Koordinaten vom Rechner auf eine CNC-Bohrmaschine,
- – Einspannen und Ausrichten des Tiefziehwerkzeugs in einer Spanneinrichtung der CNC-Bohrmaschine und Bohren der Absaugöffnungen von beiden Seiten des Tiefziehwerkzeugs gemäß den berechneten Koordinaten.
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Dadurch wird erreicht, dass eine exakte Koordinatenberechnung der jeweiligen Absaugöffnung einerseits und deren Verknüpfung mit den Koordinaten des Bohrwerkzeuges ermöglicht wird, wodurch eine Automatisierung des Bohrvorganges erreicht wird, was nicht nur zu einer Beschleunigung des Bohrprozesses der Absaugöffnungen sondern auch zu einer sicheren Einbringung der Bohrungen sowie einer Verhinderung von Bohrwerkzeugbrüchen führt.
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Als Messarm kann beispielsweise ein Messarm der Firma FARO Technologies, Inc. (www.faro.com) verwendet werden, mithilfe dessen die Koordinaten der Absaugöffnungen erfasst und mittels entsprechender Software an eine CNC-Bohrmaschine übertragen werden.
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Dabei ist von besonderem Vorteil, dass ein angepasster Tastkopf bei dem Messarm verwendet wird, der in seinen Abmessungen den Abmessungen der Bohrwerkzeuge der CNC-Bohrmaschine entspricht. Dies hat den Vorteil, dass bei Verhinderung einer Berührung des Tastkopfes der Oberfläche des Vakuum-Tiefziehwerkzeuges auch ein Kontakt der Bohrwerkzeuge mit dem Tiefziehwerkzeug sicher verhindert werden kann, was die Sicherheit des Herstellungsverfahrens derartiger Vakuum-Tiefziehwerkzeuge weiter erhöht.
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Zusätzlich ist vorteilhaft, dass neben den Koordinaten der Absaugöffnungen der Ober- bzw. Vorderseite des Tiefziehwerkzeugs auch die Winkelstellung im Raum der Achse des Tastkopfes erfasst wird. Dies dient insbesondere zur störungsfreien Erzeugung von Absaugöffnungen an schwer zugänglichen Stellen des Vakuum-Tiefziehwerkzeugs, beispielsweise in großen Vertiefungen.
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Die Sicherheit des Herstellungsprozesses des Tiefziehwerkzeugs einerseits und dessen Beschleunigung andererseits wird vorteilhafterweise dadurch verbessert/erhöht, dass das Bohren unterschiedlicher Absaugöffnungen von der Vorderseite und der Rückseite gleichzeitig, jedoch das Bohren der jeweiligen gesamten Absaugöffnung nicht gleichzeitig erfolgt, sondern als erstes der Abschnitt großen Durchmessers von der Rückseite mit der zweiten Bohrvorrichtung und anschießend der Abschnitt kleinen Durchmessers von der Vorderseite mit der ersten Bohrvorrichtung gebohrt wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bohren von Absauglöchern in Vakuum-Tiefziehwerkzeugen zu schaffen, mit dem der Bohrvorgang schnell und sicher bewerkstelligt werden kann. Hierzu weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Spannvorrichtung zum Einspannen des Tiefziehwerkzeugs, eine erste Bohrvorrichtung zum Bohren der Absauglöchern von der Vorderseite des Tiefziehwerkzeugs und eine zweite Bohrvorrichtung zum Bohren der Absauglöcher von der Rückseite des Tiefziehwerkzeugs auf, wobei beide Bohrvorrichtungen die Absauglöcher gemäß den mittels eines Messarms erfassten Koordinaten der Absauglöcher, die über einen Rechner der Bohrvorrichtung übermittelt werden, automatisch erzeugt.
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Vorteilhafterweise weist die erste Bohrvorrichtung 5-Achsenfreiheitsgrade und die zweite Bohrvorrichtung wenigstens 3-Achsenfreiheitsgrade auf.
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Weiterhin ist vorteilhaft, dass die erfindungsgemäße Bohrvorrichtung ein Druckluft-Sprühnebelsystem aufweist, mit dem eine entsprechende Kühlung des Bohrers beim Bohren und ein Entfernen der Bohrspäne erreicht werden kann.
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Als Bohrwerkzeuge eignen sich insbesondere pneumatische Bohrvorschubeinheitein gemäß der PSM-Line der Firma Power Tool Systems, Schwalmstadt (www.powersystemstools.com).
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Darin zeigt:
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1 eine schematische Teilansicht eines Vakuum-Tiefziehwerkzeugs und eines Abtastkopfes eines Messarms zur Erfassung der Koordinaten einer noch einzubringenden Absaugöffnung;
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2 eine perspektivische schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung mit eingespanntem Vakuum-Tiefziehwerkzeug;
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3 eine Ansicht von vorne auf die Bohrvorrichtung von 2; mit eingespanntem Tiefziehwerkzeug, und
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4 eine Ansicht auf das Tiefziehwerkzeug, ähnlich zu jener von 1, jedoch mit einem Bohrer am Anfang des Bohrvorgangs der entsprechenden Absaugöffnung von der Vorderseite des Tiefziehwerkzeugs.
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In den Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
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In 1 ist in Teilansicht von der Seite ein Vakuum-Tiefziehwerkzeug 2 dargestellt. Das Vakuum-Tiefziehwerkzeug 2 weist eine Vorder- oder Oberseite 4 und eine Rückseite 6 auf. Gemäß Ansicht von 1 ist das Vakuum-Tiefziehwerkzeug 2 auf einer ebenen Messplatte 8 angeordnet.
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Das Vakuum-Tiefziehwerkzeug 2 weist eine reliefartige Kontur 10 auf, die ihrerseits Erhebungen 12 und Vertiefungen 14 aufweist. Die Rückseite 6 des Vakuum-Tiefziehwerkzeugs 2 wird durch Längskanten 15 und Stirnkanten 16 begrenzt. Wie weiterhin aus 1 ersichtlich, ist ein Messarm 18 dargestellt, der beispielsweise ein Faro-Messarm sein kann. Dieser ist an einer vorbestimmten Stelle der ebenen Messplatte 8 befestigt (nicht dargestellt) und weist gelenkig gelagerte und miteinander verbundene Teilarme (nicht dargestellt) in üblicher Weise auf. Am vorderen Ende des Messarms 16 ist ein Abtastkopf 20 angeordnet, der eine Abtastnadel oder -spitze 22 aufweist. Der Abtastkopf 20 ist in seiner Außenkontur so gebildet, dass er der Außenkontur eines Bohrers entspricht, wie dies weiter unten unter Bezugnahme auf 4 näher erläutert wird.
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Der Hersteller des Vakuum-Tiefziehwerkzeugs 2 bestimmt den Ort der Absaugöffnungen. Wie aus 1 ersichtlich, können sich diese an schwierigen Stellen, beispielsweise im unteren Kantenbericht 24 der Vertiefungen 14 befinden.
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Wie weiterhin aus 1 ersichtlich, kann der im Bohrkopf einer Bohrvorrichtung nachgebildete Abtastkopf 20 nicht immer senkrecht von oben den Kantenbereich und den Ort der Absaugöffnung erreichen, sondern er muss bei der dargestellten Ausführungsform des Vakuum-Tiefziehwerkzeugs 2 schräg gestellt werden. Alle diese Daten, also auch die Schrägachse des Abtastkopfes 20 an der jeweiligen einzubringenden Absaugöffnung, werden von dem Messarm erfasst und gespeichert.
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Nachdem alle Absaugöffnungen auf der Vorderseite des Tiefziehwerkzeugs 2 ausgewählt und die entsprechenden Daten an den zugehörigen Rechner übertragen wurden, berechnet dieser die Koordinaten der zu bohrenden Absaugöffnungen sowohl von der Vorderseite 4 als auch von der Rückseite 6 des Vakuum-Tiefziehwerkzeugs 2.
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In 2 ist in perspektivischer Ansicht eine Bohrvorrichtung schematisch dargestellt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann.
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Die Bohrvorrichtung 30 weist einen rechteckförmigen Gestellrahmen 32, mit einer vorderen Querstrebe 33, einer hinteren Querstrebe 35 sowie diese verbindende Seitenstreben 37 auf. In der Mitte der Seitenstreben 37 ist eine Spannstrebe 34 vorgesehen, die die beiden Seitenstreben 37 miteinander verbindet.
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Die Bohrvorrichtung 30 weist weiterhin einen Tragrahmen 36 auf, mit zwei Tragsäulen 38 in denen in vertikaler Richtung bewegliche Halterahmen 40 und 42 angeordnet sind, wobei der vordere Halterahmen 40 zur Halterung einer vorderen Bohrvorrichtung 44 und der hintere Halterahmen 42 zur Halterung einer hinteren Bohrvorrichtung 46 dient. Beide Bohrvorrichtungen 42 und 46 sind jeweils querverschieblich an einem Querträger 48 bzw. 50 gelagert. Der Querträger 48 ist seinerseits längsbeweglich an Seitenträgern 49 gelagert und der Querträger 50 ist längsbeweglich an Seitenträgern 51 gelagert.
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Die vordere Bohrvorrichtung 44 ist mittels einer geteilten Hülse bzw. eines geteilten Futters 52, dessen Teilfläche schräg verläuft, durch Drehung des ein Bohrwerkzeug 54 aufnehmenden Bohrkopfes 53 um seine Drehachse verschwenkbar, wodurch die vordere Bohrvorrichtung 44 insgesamt 5-Achsenfreiheitsgrade aufweist: links-rechts, oben-unten, in Richtung Tiefziehwerkzeug 2 und zurück und verschwenkbar, um Stellungen des Bohrkopfes 53 schräg, wie beispielsweise in 1 dargestellt, einnehmen zu können.
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Demgegenüber genügt es für das Einbringen exakt senkrechter Bohrungen in das Tiefziehwerkzeug 2, das die hintere Bohrvorrichtung 46 nur 3-Achsenfreiheitsgrade aufweist: links-rechts, oben-unten, zum Tiefziehwerkzeug 2 hin und zurück.
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Wie weiterhin aus 2 ersichtlich, ist das Tiefziehwerkzeug 2 in eine obere und untere Nutenschiene 56 bzw. 58 und durch vier Spannelemente 60 in der Bohrvorrichtung 30 festgeklemmt. Die Klemmung muss dabei so sicher sein, dass für die Maßhaltigkeit der von der Vorderseite 4 des Tiefziehwerkzeugs 2 zu bohrenden Vakuum-Absaugeröffnungen das Tiefziehwerkzeug 2 ausreichend lagegesichert ist.
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In 3 ist die Bohrvorrichtung 30 in der Ansicht von vorne, d. h. auf die Vorderseite 4 des Tiefziehwerkzeugs 2, dargestellt. Wie leicht verständlich, kann das Bohren, nachdem die Orte und Achsen der Absaugöffnungen bestimmt sind auf einfache Weise und vollautomatisch erfolgen, wobei insbesondere vorteilhaft der Einsatz beider Bohrvorrichtungen 44 und 46 im Wesentlichen gleichzeitig verwirklicht werden kann.
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In 4 ist sehr schematisch das Tiefziehwerkzeug 2 dargestellt und mit der vorderen Bohrvorrichtung 44 wird mittels des Bohrwerkzeugs 54 der schräge und durchmesserkleine Teil 63 der Absaugöffnung 62 eingebracht, dessen Durchmesser im Wesentlichen 0,5 mm beträgt. Es ist leicht verständlich, dass bei derartigen kleinen Durchmessern die Gefahr des Werkzeugbruches des Bohrwerkzeugs 54 besteht, sodass, um diesen zu Vermeiden von der Rückseite des Tiefziehwerkzeugs 2 ein deutlich im Durchmesser größerer Teil 64 der Absaugöffnung 62 eingebracht wird. Aus der 4 in Zusammenschau mit 1 wird offensichtlich, warum der Abtastkopf 20 des Messarms 18 der Kontur des Bohrkopfes 53 der vorderen Bohrvorrichtung 44 nachgebildet ist, um ein Anstoßen des Bohrkopfes 53 beim Bohren des Teils 63 der Absaugöffnung 62 an dem Tiefziehwerkzeug 2 zu vermeiden. Andernfalls besteht die Gefahr, dass das Bohrwerkzeug gleich abbricht. Bei Kollision vom Bohrkopf mit dem Tiefziehwerkzeug wird das Werkzeug unbrauchbar bzw. ei ist eine aufwendige Reparatur notwendig.