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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dekorierten Schmuckkörpers auf Basis z.B. einer Naturperle, einer Zuchtperle, einer Kunstperle, eines Edelsteins oder eines Halbedelsteins, Holz, Glas, Kunststoff etc. mit integriertem Schmuckelement, sowie einen dekorierten Schmuckkörper, der durch dieses Verfahren herstellbar ist. Als Schmuckelemente sind insbesondere Schmuck- oder Edelsteine vorgesehen, es kommen aber auch Teile aus anderen Materialien, beispielsweise Edelmetall, Metall, Holz, Glas, Kunststoff, Plexiglas u. a. bzw. Kombinationen dieser Materialien in Betracht. Ein gattungsgemäßes Schmuckelement nämlich eine dekorierte Perle ist z.B. in
WO 00/13540 beschrieben.
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Es sind verschiedene Verfahren zur Bearbeitung von Schmuckkörpern bekannt, die auch zur Herstellung von dekorierten Schmuckkörpern mit integriertem Schmuckelement verwendet werden können. Als Beispiele werden folgende Verfahren genannt:
Schleifen oder Fräsen des Schmuckkörpers mit entsprechenden abriebfesten, beschichteten Werkzeugen, wie Diamantscheiben, Diamantfräsern, Schriftbohrern, PKD Fräsern, Zirkonoxidfräsern etc.
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Ein besonders geeignetes Verfahren zur Bearbeitung von spröden und/oder harten Werkstoffen, die für die Rotationszerspanung ungeeignet sind, ist das Ultraschallbohren, das auch Ultraschallläppen genannt wird. Der Bohrer arbeitet beim Ultraschallbohren mit einem statischen Bohrwerkzeug, das in Ultraschallschwingung versetzt wird. Dadurch werden der Arbeitsandruck, das Bohrergewicht und die Energieaufnahme deutlich reduziert. Das Ultraschallbohren wird zur Bearbeitung von Perlmutt bereits verwendet. Außerdem wird in http://www.gross-ust.de/Info/Ultraschall-Erosion.PDF angegeben, dass das Ultraschallbohren auch bei Perlen verwendet werden kann (Seite H/8).
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Das Ultraschallbohrwerkzeug, im Nachfolgenden auch Bohrwerkzeug genannt, besteht in der Regel aus einer Sonotrode und einem Formwerkzeug, das an die Sonotrode befestigt ist. Beim Ultraschallbohren wird durch einen Ultraschall-Generator erzeugte hochfrequente elektrische Wechselspannung über den Schallwandler in eine mechanische Longitudinalschwingung gleicher Frequenz der Sonotrode mit daran befestigtem Formwerkzeug umgewandelt. Über eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Schallwandler und Sonotrode wird die auf dieselbe Frequenz abgestimmte Sonotrode ebenfalls in Resonanz versetzt, wodurch die Schwingung auf das an der Stirnseite der Sonotrode befestigte Formwerkzeug übertragen wird. Durch die Sonotrodengeometrie wird die Schwingweite den Anforderungen entsprechend angepasst.
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Wie in http://www.gross-ust.de/Info/Ultraschall-Erosion.PDF beschrieben, findet der Bohrvorgang dahingehend statt, dass eine Vielzahl loser, in einer Flüssigkeit aufgeschwemmter Schleifmittelkörner (Suspension) durch ein im Ultraschallbereich longitudinal schwingendes Formwerkzeug auf die Werkstückoberfläche eingehämmert werden, wodurch mikroskopisch kleine Risse im Werkstück, hier dem Schmuckkörper, induziert werden, die durch wiederholte Impulseinwirkung zum Ausbrechen kleinster Werkstückpartikel und somit zur Abbildung des Formzeuges im Werkstück führen. Als Schleifmittel-Suspensionen werden typischerweise Suspension mit Borcarbid, Bornitrid, kubisches Bornitrid, das auch weitere Metalle enthalten kann, oder Siliziumcarbid verwendet. Die allgemeinen Prinzipien des Ultraschallbohrverfahrens sind in der oben genannten Internet-Veröffentlichung ausführlich beschrieben.
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Bei herkömmlichen Formwerkzeugen, die beim Ultraschallbohren verwendet werden, sind die Forderungen an die Ultraschalltechnik dahingehend, dass mit einem je nach Anforderung hergestellten Formwerkzeug, auch als Ultraschallkopf oder Stempel bezeichnet, diese Form in ein Werkstück eingebracht, bzw. eingehämmert wird.
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Bei planer Oberfläche des Werkstücks, zum Beispiel einer Glasplatte, in die ein Monogramm eingearbeitet wird, sind die Gestaltungsmöglichkeiten vielfältig. Nachteile entstehen jedoch, wenn das zu bearbeitende Werkstück nicht planar, sondern uneben und/oder gewölbt ist, wie z.B. bei einer Perle. Gestaltung und Individualität der einzelnen Formen und deren exakte Reproduzierbarkeit, ist bei einem unebenen oder konkav/konvex gewölbten Werkstück, wie z.B. einer Natur- oder Zuchtperle, die rund, tropfenförmig, barock, sein kann, nicht präzise möglich.
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In anderen Worten ist die dem Werkstück zugewandte Seite des Formwerkzeugs gemäß dem Stand der Technik planar, was zum Nachteil hat, dass beim Ultraschallbohren von konturierten Oberflächen, wie z.B. bei Perlen, die hergestellte Versenkung unterschiedlich tief und an manchen Stellen größer ist als unbedingt notwendig, da die Tiefe der Bohrung sich nach der notwendigen Mindesttiefe richtet, die an keiner Stelle unterschritten werden darf, da sonst das jeweilige Schmuckelement nicht in der Versenkung hält. Insbesondere bei sehr feinen und teuren Werkstücken und Elementen, die in das Werkstück an Stelle der Aushebung durch Ultraschall eingebracht werden, kann das zu Problemen führen. Die Bohrung muss an allen Stellen tief genug sein, damit das einzubringende Schmuckelement in dem Werkstück hält. Wenn mit planarer Stempelfläche in ein gewölbtes Werkstück gebohrt wird, muss man an den Stellen, die dem Werkstück am Nächsten liegen, sehr tief bohren um die notwendige Tiefe auch an den Stellen zu erreichen, die am Weitesten von dem Werkstück entfernt liegen. Man kann also das herkömmliche Verfahren zum Beispiel bei kleineren Perlen nicht anwenden und auch nicht bei stark unebenen Oberflächen, da nicht tief genug gebohrt werden kann. Außerdem wird bei edlen Werkstücken, wie Natur- oder Zuchtperlen, Edelsteinen etc. sehr viel mehr Material abgetragen als notwendig, was den Wert des Werkstückes dezimiert und die Herstellungskosten für das Schmuckelement deutlich erhöht. Ein weiterer Nachteil ist, dass das einzusetzende Schmuckelement schwerer wird und teurer in der Herstellung.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung eines dekorierten Schmuckkörpers mit integriertem Schmuckelement zu erleichtern, Kosten zu reduzieren und zu ermöglichen, unterschiedlichste Elemente in einen Schmuckkörper einzubringen, die die Form und Oberfläche des Schmuckkörpers weitgehend aufnimmt. Dafür wird ein Verfahren vorgeschlagen, das beim Ultraschallbohren einen besonders angepassten Ultraschallbohrkopf verwendet.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Herstellung eines dekorierten Schmuckkörpers mit integriertem Schmuckelement, mit folgenden Schritten gelöst:
- – Bereitstellen eines Schmuckkörpers, der eine beliebige Oberflächenkontur aufweist, die nicht planar ist.
- – In-Kontakt-Bringen eines Formwerkzeugs, das wenigstens teilweise der Oberflächenkontur des Schmuckkörpers angepasst ist,
- – Versetzen des Formwerkzeugs in Ultraschallschwingen,
- – Ausheben eines Einschnitts in den Schmuckkörper, um eine Versenkung zu erzeugen,
- – Einbringen eines vorgefertigten Schmuckelements in die Versenkung.
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Der auf die Sonotrode aufgelötete Ultraschallkopf, das Formwerkzeug hat in seiner Gestaltung Spielraum für eine Absaugbohrung, durch welche die Schleifmittelsuspension und die Partikel des abgetragenen Werkstücks abgesaugt werden. Bei kleinen Formwerkzeugen, mit entsprechend kleinen Wirkflächen und bei geringen Tiefen, von ca. 1mm, ist Absaugung nicht notwendig. Eine Absaugung kann auch von außen geschehen. Eine gut geeignete Form der Sonotrode für solche Bohrungen ist die Kegelform. Es gibt jedoch auch Zylindersonotroden, Stufensosotroden etc., die je nach Bedarf hergestellt und verwendet werden können. Als Schleifmittel werden Borcarbid, Bornitrid, kubisches Bornitrid, das auch weitere Metalle enthalten kann, oder Siliziumcarbid typischerweise verwendet. Die Korngröße des Schleifmittels beträgt in der Regel F400–F600. Je kleiner die Korngröße desto genauer ist die Aushebung. Allerdings würde bei zu kleinen Korngrößen die Bearbeitung zu lange dauern, um noch praktikabel zu sein. Die Korngröße des Schleifmittels muss dem erwarteten Ergebnis angepasst werden. Je komplizierter und wertvoller das Schmuckelement ist um so kleiner die Korngröße.
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Das Formwerkzeug kann aus einem oder aus mehreren Teilen bestehen. Beispiel 1, Formwerkzeug bestehend aus 2 und 3. 2 hat eine der Sonotrode zugewandte Seite 2.1, die durch Hartlötung an der Sonotrode befestigt ist. Formwerkzeug 3, hat eine dem Werkstück zugewandte Seit 3.1. Diese Seite 3.1 ist in 2 + 3 einem Teil der Oberfläche des Werkstücks weitgehend nachempfunden. Formwerkzeug 2 und 3 sind ebenfalls durch Hartlötung miteinander verbunden.
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In dieser besonders bevorzugten Ausführungsform entspricht die der Sonotrode abgewandte Seite 3.1 des Formwerkzeuges 3, weitgehend einem Spiegelbild der zu bearbeitenden Schmuckkörperoberfläche.
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Das Formwerkzeug kann so hergestellt werden, in dem die Schmuckkörperoberfläche z.B. durch einen Laserstrahl abgetastet wird. Die so gewonnenen Daten können in einem Computer graphisch dargestellt werden und aufgrund dieser Daten das Formwerkzeug hergestellt werden, dessen eine Oberflächenkontur einem Teil der Schmuckkörperoberflächenkontur entspricht. Weitere Möglichkeiten zur Abformung der Oberfläche können z.B. die Verwendung von Wachs, Kautschuk, Gipsabdruck oder Silikon sein.
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Die für die Herstellung des Formwerkzeugs ermittelten Daten, können gleichzeitig für die Herstellung des Schmuckelements, das in die Aushebung eingelegt wird, verwendet werden.
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Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1a: eine schematische Darstellung eines Werkzeugs zur Ultraschallbearbeitung gemäß dem Stand der Technik, bestehend aus Sonotrode mit daran befestigten Bohrwerkzeug, bestehend aus Teil 2 und Teil 3 mit einer der Sonotrode zugewandten Seite (2.1) und einer planaren, dem Werkstück zugewandten Seite (3.1)
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1b: Schnitt durch das Werkstück mit Ausbohrung.
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1c: Draufsicht auf Werkstück mit Ausbohrung.
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1d: Element, das in das Werkstück eingelegt wird
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2a eine schematische Darstellung eines Werkzeugs zur Ultraschallbearbeitung, bestehend aus Sonotrode mit daran befestigtem Bohrwerkzeug mit der Oberflächenform des Werkstücks entsprechendenen konkaven Seite (3.1);
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2b: eine schematische Darstellung eines Werkzeugs zur Ultraschallbohrung währen des Bohrvorgangs
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2c: Schnitt durch das Werkstück mit Ausbohrung.
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2d: Draufsicht auf das Werkstück mit Ausbohrung
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2e: Der Oberfläche und der Innenfläche des Werkstücks angepasstes Schmuckelement, das in das Werkstück eingebracht wird
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3a: Dreidimensionale Darstellung von 2 während des Ultraschallohrvorganges (a) und des bearbeiteten Werkstücks (b), ohne eingelegtes Schmuckelement.
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3b: Dreidimensionale Darstellung von 2c
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4a: Draufsicht des dekorierten Schmuckkörpers bestehend aus Werkstück und Schmuckelement, das nahezu formschlüssig eingepasst ist.
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4b: Dreidimensionale Darstellung von 4a.
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Wie in der 1 dargestellt, besteht ein Ultraschallbohrer aus Sonotrode 1, auch als Bohrrüssel bezeichnet und aus einem daran befestigten Formwerkzeug aus zwei Teilen 2 und 3, auch als Stempel, oder Ultraschallkopf bezeichnet. Im aufgeführten Beispiel besteht das Formwerkzeug aus zwei, durch Hartlötung verbundene Teile. 2 und 3. Durch einen Ultraschall-Generator erzeugte hochfrequente elektrische Wechselspannungen werden über einen Schallwandler in eine mechanische Longitudinalschwingung gleicher Frequenz der Sonotrode 1 mit daran befestigten Formwerkzeug 2 + 3 umgewandelt. Das Formwerkzeug 2 + 3 kann auf die Sonotrode 1 zum Beispiel durch Hartlötung befestigt werden. Über eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Schallwandler und Sonotrode wird die auf dieselbe Frequenz abgestimmte Sonotrode ebenfalls in Resonanz versetzt, wodurch die Schwingung auf das an der Stirnseite der Sonotrode befestigte Formwerkzeug übertragen wird. Bei Verwendung einer Kegelsonotrode kann die Schwingweite den Anforderungen entsprechend verstärkt werden.
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1 zeigt außerdem, dass das Formwerkzeug, bestehend aus zwei Teilen 2 + 3 eine erste Oberfläche 2.1 und eine zweite Oberfläche 3.1 aufweist. Die Oberfläche 3 ist während des Bohrvorgangs dem Werkstück 4 zugewandt, während die Oberfläche 2 zur Befestigung an die Sonotrode 1 dient.
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Das Formwerkzeug 3 kann beliebige Formen besitzen, wie z.B. geometrische Figuren, organische Figuren, Schriftzeichen oder Zahlen, Namen etc. In 1 + 2 ist das Formwerkzeug 6 + 6.1 ein Quadrat. In der Mitte weist das Formwerkzeug ein Loch aus um die Suspension mit Schleifkörnern und die abgetragenen Werkstückteile abzusaugen.
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2 und 3 zeigen wie die untere Seite des Formwerkzeuges 2 beispielsweise der Oberfläche der Perle angepasst ist. In dem gezeichneten Fall ist die Oberfläche des Formwerkzeuges konkav, da in diesem Fall die Perle im Wesentlichen einer Kugelform entspricht. Es gibt allerdings Schmuckkörper mit beliebigen Oberflächenformen. In einem solchen Fall wird die Oberfläche des Formwerkzeuges dementsprechend angepasst bzw. ein geeignet geformtes Formwerkzeug ausgewählt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sonotrode,.
- 2 3
- Formwerkzeug, auch Ultraschallkopf oder Stempel genannt.
- 2.1
- Die der Sonotrode zugewandte Seite des Formwerkzeugs.
- 3.1
- Die dem zu bearbeitenden Werkstück zugewandte Seite des Formwerkzeugs
- 4 und 4.1
- Werkstück
- 5 und 5.1
- Schmuckelement
- 6 und 6.1
- Formwerkzeug 3 mit Suspensionskanal
- 7
- Suspensionskanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.gross-ust.de/Info/Ultraschall-Erosion.PDF [0003]
- http://www.gross-ust.de/Info/Ultraschall-Erosion.PDF [0005]
