DE102021101146A1

DE102021101146A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Prägen einer prägbaren Oberfläche, Verfahren zur Herstellung eines Prägewerkzeugs und Prägewerkzeug

Info

Publication number: DE102021101146A1
Application number: DE102021101146.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Meyer; André Hofmann
Original assignee: Filk Freiberg Inst Ggmbh; Filk Freiberg Institute Ggmbh; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Filk Freiberg Institute Ggmbh De; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2022-07-21
Anticipated expiration: 2041-01-21
Also published as: DE102021101146B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Prägen einer prägbaren Oberfläche eines Werkstoffs, die Vorrichtung umfassend ein Prägewerkzeug (28), ein Gegenwerkzeug (30) und eine Anpresseinrichtung (12, 14, 16), durch die zwischen dem Prägewerkzeug (28) und dem Gegenwerkzeug (30) beim Prägevorgang ein statischer Anpressdruck, der auf die Oberfläche und eine Prägemotivfläche wirkt, hervorgerufen wird, wobei die Prägemotivfläche an einer zur Oberfläche hin weisenden Prägeseite an dem Prägewerkzeug (28) oder/und dem Gegenwerkzeug (30) angeordnet ist. Nach der Erfindung sind das Prägewerkzeug (28) oder/und das Gegenwerkzeug (30) mit einer Ultraschallanordnung (20, 22, 24, 26) in der Weise verbunden sind, dass zumindest entweder das Prägewerkzeug (28) oder das Gegenwerkzeug (30) in Ultraschallschwingung versetzt und die Energie der Ultraschallschwingung auf die Oberfläche übertragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prägen einer prägbaren Oberfläche eines Werkstoffs, die Vorrichtung umfassend ein Prägewerkzeug, ein Gegenwerkzeug und eine Anpresseinrichtung, durch die zwischen dem Prägewerkzeug und dem Gegenwerkzeug beim Prägevorgang ein statischer Anpressdruck, der auf die Oberfläche und eine Prägemotivfläche wirkt, hervorgerufen wird, wobei die Prägemotivfläche an einer zur Oberfläche hin weisenden Prägeseite an dem Prägewerkzeug oder/und dem Gegenwerkzeug angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Prägen einer prägbaren Oberfläche mittels eines Prägewerkzeugs, wobei eine Prägemotivfläche an einer zu der Oberfläche hin weisenden Prägeseite des Prägewerkzeugs Druck auf die Oberfläche ausübt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Prägewerkzeugs, ausgeführt zum Prägen einer prägbaren Oberfläche sowie ein Prägewerkzeug.
Das Prägen ist ein wichtiger Verarbeitungsschritt beispielsweise bei der Herstellung von Ledererzeugnissen. Dabei werden sowohl großflächige Strukturen als auch kleinere Motive (Logos, Individualisierungen) aufgebracht. Sowohl der Prozess des Prägens selbst, als auch die Herstellung der Prägewerkzeuge ist mit erheblichem Aufwand und Energieverbrauch verbunden.
Beim Lederprägen wird eine optische und haptische Veränderung der Oberflächenstruktur durch die Übertragung von Bild- oder Schriftelementen erreicht. Dabei kann die vom Umformgrad abhängige Formenvielfalt beim Prägen von Kollagenmaterial, wie z. B. Leder, gegenüber anderen Materialien, die ein ausgeprägtes Fließverhalten aufweisen, als eher begrenzt eingestuft werden. Für solche Prägeaufgaben werden im industriellen Umfeld vorrangig beheizte hydraulische Pressen oder Prägemaschinen mit rotierenden Walzen eingesetzt.
Beim diskontinuierlichen Prägen mit hydraulischen Pressen wird die Prägestruktur auf der Lederoberfläche dadurch erreicht, dass das Leder über eine definierte Zeit mit definiertem Prägedruck auf eine Stempelfläche (Matrize, Negativ der gewünschten Narbenform) gepresst wird und so die neue Struktur annimmt. Sogenannte Durchlaufbügel- oder -prägemaschinen arbeiten nach dem System des Kalanders mit rotierenden Walzen, zwischen denen das Leder hindurchläuft. Die Intensität der Druckbeanspruchung hängt von der Durchlaufgeschwindigkeit des Leders ab, ist aber im Allgemeinen geringer als bei diskontinuierlichen Pressen. Sowohl beim diskontinuierlichen als auch beim rotierenden Prägen werden die Prägewerkzeuge erwärmt, um kürzere Verweilzeiten realisieren zu können und um die Stabilität des Druckbildes zu verbessern.
Im handwerklichen Bereich werden individualisierte Prägungen oder solche in geringer Stückzahl auch durch Punzieren, d. h. das Prägen mit Punziereisen oder vorgefertigten Metallstiften oder -stempeln, vorgenommen.
Der strukturelle Aufbau des heterogenen, viskoelastischen Fasergeflechtes und das daraus resultierende sehr inhomogenen Verhalten des Leders bei Zug- und Druckbeanspruchung sowie ein hoher elastischer Verformungsanteil, das Bestreben des Leders nach der Druckbeanspruchung beim Prägevorgang wieder den Ausgangszustand annehmen zu wollen, erschweren den Prägevorgang im Vergleich zu thermoplastischen Materialien (z. B. Kunstleder) oder Fasermaterialien wie z. B. Papier oder Karton. Man begegnet diesem Verformungswiderstand üblicherweise mit einem entsprechendem Druck-, Temperatur- und Zeitregime, um stabile und homogene Prägebilder mit einer hohen Konturenschärfe zu erreichen. Oftmals sind hohe Prägedrücke (3 bis 7,5 MPa, entspricht 300 bis 750 N/cm²), hohe Prägetemperaturen (90 °C bis max. 120 °C) und/oder lange Prägezeiten für das Erreichen zufriedenstellender Prägeergebnisse erforderlich.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren des Prägens insbesondere für Leder, aber auch andere Materialien bekannt. So beschreibt die Druckschrift DE 195 10 240 A1 ein Leder oder Kunstleder, wobei eine vorbekannte strukturierte Oberfläche durch Prägen bei Hitze- und Druckeinwirkung, gegebenenfalls durch Verformung in einem Hochfrequenzfeld ausgebildet wird (vgl. Beschreibungseinleitung Sp. 2, Z. 51-55).
Die Druckschrift DE 10 2004 034 930 A1 beschreibt ein Verfahren zum Formen einer Fahrzeug-Verkleidungskomponente, wobei ein dekoratives Oberflächenmerkmal auf einem in einer Form geformten Artikel ausgebildet wird. Ein Formteil wird erhitzt und unter Druck wird ein dekoratives Oberflächenmerkmal des Formteils auf ein Material als Prägung übertragen.
Gegenstand der Druckschrift DE 185 85 78 U ist ein Velourleder mit verbesserter Oberfläche. Zur Verbesserung der natürlicherweise fehlerbehafteten Oberfläche wird ein Muster, bevorzugt mittels einer Walze, bei 400 bis 800 °C und unter geringem Druck eingebrannt. Das Muster weist beispielsweise die Form von Linien, Kurven, Dreiecken, Vierecken, Rauten oder Parallelogrammen auf, wobei das einzelne Muster eine Größe von einem Quadratzentimeter nicht überschreitet und die Gesamtfläche aller Muster nicht mehr als etwa 50 % der Gesamtfläche des Velour-Leders ausmacht.
Eine Prägevorrichtung für Leder ist ebenfalls in der Druckschrift DE 26 53 682 A1 beschrieben. Es handelt sich dabei um eine Durchlauf-Präge- und Bügelmaschine für Leder mit einfach und schnell austauschbaren Prägeelementen. Das Prägeelement hat dabei die Form eines beheizten Rohres, das im Inneren Laufrollen aufweist, mit denen der zum Prägen erforderliche Druck ausgeübt wird.
Ein weiterer Nachteil der klassischen Prägetechnologie sind die teuren Prägestempel, Prägeplatten oder -walzen. Traditionell werden sowohl Stempel als auch Prägewalzen aus teuren Stählen oder auch Messing-Legierungen hergestellt, die den Druck- und Temperaturanforderungen beim Prägeprozess über einen sehr langen Anwendungszeitraum und somit vielen Benutzungen standhalten.
Mit einem häufig hohen Personalaufwand werden großflächige Strukturen oder kompliziert geschnittene Muster mit den üblichen Verfahren der Metallverarbeitung gefräst oder graviert, z. B. lasergraviert. Auch der hohe Grad der Automatisierung bei der Metallbearbeitung führt gerade bei der Einzelfertigung von Stempeln nicht zu einer deutlichen Verringerung des Preises für das Prägewerkzeug. Das bedeutet letztlich, dass mit den aufwendig hergestellten Prägewerkzeugen vorzugsweise Muster zumeist großflächig und in großen, immer wiederkehrenden Serien geprägt werden. Schnelle Musterwechsel, häufige kundenspezifische Anpassungen oder gar Prägungen nur in individuellen Einzelstücken sind aus wirtschaftlichen Gründen bisher nicht wirtschaftlich realisierbar.
Bei den bekannten Verfahren führen die für die Herstellung einer dauerhaft zufriedenstellenden Prägequalität (hohe Abformgenauigkeit, hohe Konturenschärfe, hohe Formstabilität) auch bei schwierig zu prägenden Lederqualitäten erforderlichen Prägedrücke und -temperaturen einerseits mit einem hohen Energieverbrauch und andererseits schnell zu Beschädigungen von sensiblen Werkstoffen, insbesondere Naturstoffen wie einem Kollagenfasergeflecht, z. B. Leder.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Prägen einer prägbaren Oberfläche eines Werkstoffs, bei der der Werkstoff geschont und Energie gespart wird, anzubieten. Es ist weiterhin die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Prägewerkzeug und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzubieten, wobei die Herstellung mit geringem Aufwand verbunden ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Prägen einer prägbaren Oberfläche eines Werkstoffs, insbesondere von gegerbtem Kollagenfasermaterial bzw. Kollagenfasergeflecht wie Leder und Lederprodukten oder von ungegerbtem Kollagenfasermaterial, umfasst sind. Die Vorrichtung umfasst ein Prägewerkzeug, ein Gegenwerkzeug und eine Anpresseinrichtung. Durch die Anpresseinrichtung wird beim Prägevorgang zwischen dem Prägewerkzeug und dem Gegenwerkzeug, auch als Amboss bezeichnet, ein statischer Anpressdruck, der auf die Oberfläche und eine Prägemotivfläche wirkt, hervorgerufen. Die Prägemotivfläche ist an einer zur Oberfläche hin weisenden Prägeseite an dem Prägewerkzeug oder/und dem Gegenwerkzeug angeordnet.
Nach der Erfindung sind das Prägewerkzeug oder/und das Gegenwerkzeug mit einer Ultraschallanordnung in der Weise verbunden, dass zumindest entweder das Prägewerkzeug oder das Gegenwerkzeug in Ultraschallschwingung versetzt und die Energie der Ultraschallschwingung auf die zu prägende Oberfläche des Werkstoffs, z. B. des Leders, übertragen wird. Die Ultraschallanordnung besteht in der Regel aus einem Konverter, einem Amplitudentransformationsstück, auch als Booster bezeichnet, und einer Sonotrode. Das Prägewerkzeug wirkt nach einer ersten Ausführungsform als die Sonotrode der Ultraschallanordnung bzw. ist mit dieser verbunden. Das Prägewerkzeug oder, nach einer zweiten Ausführungsform, das Gegenwerkzeug werden in Ultraschallschwingung versetzt, wenn die Ultraschallanordnung in Betrieb gesetzt ist. Auch eine Alternative, bei der das Prägewerkzeug und das Gegenwerkzeug in Ultraschallschwingung versetzt sind, ist von der Erfindung umfasst. Die Sonotrode bzw. das Prägewerkzeug und/oder das Gegenwerkzeug überträgt die Energie der Ultraschallschwingung auf die Oberfläche, um allein durch die Ultraschallschwingung auf der Oberfläche eine solche Temperatur hervorzurufen, die das Prägen mittels der Prägemotivfläche ermöglicht.
Aufgrund der zusätzlich zum statischen Anpressdruck erzeugten hohen dynamischen Materialkompression bei vergleichsweise niedrigen statischen Anpressdrücken kann nach einer zweiten Ausführungsform das aufzubringende Prägemuster bzw. die Prägemotivfläche als Dünnschichtstruktur alternativ an dem Gegenwerkzeug, dem Amboss zum diskontinuierlichen Prägen, angeordnet werden, während die Sonotrode eine glatte Oberfläche aufweist. Der Amboss überträgt als Sonotrode die Energie der Ultraschallschwingung in den Werkstoff an der der Oberfläche gegenüberliegenden Seite und damit auch mittelbar auf den Spalt zwischen Prägemotivfläche und Oberfläche, sobald der vorgesehene statische Anpressdruck aufgebaut ist.
Somit kann eine einzige Sonotrode für alle Prägegeometrien bzw. Prägemotivflächen genutzt werden. Als Gegenwerkzeug, auch als Amboss bezeichnet, dienen nach dieser zweiten Ausführungsform konventionell oder adaptiv gefertigte Prägewerkzeuge bzw. daran angeordnete Prägemotivflächen gemäß der vorliegenden Erfindung, wodurch eine einfache und kostengünstige Überführbarkeit der Technologie in bestehende Anlagen der Industrie gegeben ist. Generell kann der Ultraschallprägeprozess in folgende zwei Varianten unterschieden werden.

a) kraftgesteuertes Ultraschallprägen: Beim kraftgesteuerten Ultraschallprozess wird ein statischer Prozessdruck eingestellt und während der Einwirkdauer des Ultraschalls konstant gehalten. Infolge der Materialkompression im Ultraschallprozess muss die Sonotrode entsprechend nachgeführt werden, wobei der Ultraschall erst nach dem Aufsetzen der Sonotrode aktiviert wird. Die Materialkompression und die Prozesstemperatur nehmen mit der Ultraschalldauer zu, wobei zu Beginn des Prozesses die Kompression überwiegt, welche mit fortschreitender Ultraschallbehandlung gegen einen materialspezifischen Grenzwert konvergiert. Sobald dieser Grenzwert erreicht ist kann nur noch ein signifikanter Anstieg der Materialtemperatur beobachtet werden.
b) weg- oder positionsgesteuertes Ultraschallprägen: Im weggesteuerten Ultraschallprozess wird eine definierte Stempelposition angesteuert, die während der Ultraschalldauer konstant gehalten wird. Dabei kann der Ultraschall nach dem Erreichen der definierten Werkzeugposition oder bereits vor dem ersten Materialkontakt aktiviert werden, wobei die zweite Variante höhere Materialkompressionen und Materialtemperaturen hervorruft.

Die relevanten und einstellbaren Prozessparameter im Ultraschallprägeprozess sind der Prägedruck, die Ultraschallamplitude, die Ultraschalldauer und die Ultraschallfrequenz. Die Prozesstemperatur ist kein unmittelbar einstellbarer Prozessparameter. Sie ergibt sich aus der Wechselwirkung zwischen dem mit Ultraschall beaufschlagten Prägewerkzeug und dem Werkstoff und kann durch die Prozessparameter beeinflusst werden. Eine Änderung der Frequenz kann nur durch einen Wechsel der Werkzeugkonfiguration erreicht werden, wobei höhere Frequenzen zu geringeren Amplituden und damit einer geringeren Kompression des Werkstoffs führen. Gleichzeitig nehmen mit der Frequenz die Anzahl der Druckwechselbeanspruchungen sowie der Anteil der „inneren“ Reibung zu, wodurch höhere Prozessfrequenzen zu einer schnelleren Erwärmung des Werkstoffs führen. In diesem Sinne bestimmt die Ultraschallfrequenz auch die Ultraschalldauer des Prozesses. Niedrigere Frequenzen (z. B. 20 kHz) benötigen in Abhängigkeit von der Schwingungsgüte etwa 80 - 120 ms, bis die Sollamplitude erreicht ist und sich das System in einem eingeschwungenen Zustand befindet. Bei höheren Frequenzen (z. B. 30 oder 35 kHz) kann sich die Einschwingdauer auf 60 ms reduzieren. Demnach ergibt sich für den Ultraschallprozess eine minimale Dauer der Ultraschallbehandlung von ca. 150 - 200 ms.
Bevorzugt ist das Prägewerkzeug als ein Prägestempel zum diskontinuierlichen Prägen in einer Prägemaschine oder als eine Prägewalze zur Verwendung in einer Durchlaufprägemaschine ausgeführt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Anpresseinrichtung für den Prägestempel als ein Schubkurbelmechanismus, bevorzugt mit elektromechanischem Antrieb, ausgeführt ist. Die Vorschubbewegung kann auch mit pneumatischen oder hydraulischen Aktoren erfolgen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Prägen einer prägbaren Oberfläche, insbesondere von Leder, wobei auch Lederprodukte umfasst sind, mittels eines Prägewerkzeugs, wobei eine Prägemotivfläche an einer zu der Oberfläche hin weisenden Prägeseite des Prägewerkzeugs Druck auf die Oberfläche ausübt. Nach der Erfindung ist zumindest das Prägewerkzeug oder ein Gegenwerkzeug zumindest während des Prägens in Ultraschallschwingung versetzt. Die Energie der Ultraschallschwingung wird auf die Oberfläche übertragen. Dort wird eine Prägetemperatur hervorgerufen, ohne dass es weiterer Wärmezufuhr bedarf.
Da es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im Wesentlichen um einen Planprägeprozess handelt, ist es aus Sicht der Wirkung des Ultraschalls unerheblich, ob der Ultraschall vom Stempel oder vom Amboss her eingeleitet wird. Beim Planprägeprozess wird die Verformung des Materials durch eine lokale Kompression der Materialdicke erreicht. Dabei wird zwischen einer profilartigen, formgebenden Geometrie und einem flachen Gegenwerkzeug ein Druck aufgebaut.
Wird der Ultraschall von einer glatten Oberfläche her, sei es das Prägewerkzeug, z. B. der Stempel, oder das Gegenwerkzeug, z. B. der Amboss, eingeleitet, vereinfacht dies das Verfahren bzw. die hierzu nötige Vorrichtung. Denn eine geometrische Änderung der formgebenden Geometrie des Prägewerkzeugs durch eine geänderte Prägemotivfläche erfordert jeweils eine schwingungstechnische Auslegung der Sonotrode.
Demgegenüber besitzen die Beschaffenheit des Werkstoffs und die damit verbundenen mechanischen und schwingungstechnischen Eigenschaften einen erheblichen Einfluss auf den Prägeprozess. Werkstoffe mit einer hohen Dichte besitzen in der Regel einen hohen Kompressionswiderstand und neigen im Ultraschallprozess zu großen elastischen (reversiblen) Verformungen und zu hohen Temperaturen. Hingegen zeigen zum Beispiel Werkstoffe mit einer hohen Porosität und großen Materialdicken gute Kompressionseigenschaft.
Eine Einleitung der Ultraschallschwingungen über die erfindungsgemäß additiv gefertigten Prägemotive ist insbesondere nur dann möglich, wenn diese als Dünnschichtwerkzeug auf das Ultraschallwerkzeug, das Prägewerkzeug, aufgetragen werden. Allerdings darf die Masse des additiv gefertigten Prägewerkzeuges bzw. der Prägemotivfläche nicht zu einer unzulässigen Verschiebung der Eigenfrequenz des Ultraschallsystems führen, um dessen Funktion zu gewährleisten.
Dünnschichtwerkzeuge besitzen zumeist nur eine geringe Standzeit (max. 25 Takte) und sind eher als individuelles Gestaltungsmerkmal (Personalisierung) von Kleinstserien anwendbar, wobei die Standzeit signifikant von den Materialeigenschaften und den gewählten Prozessparametern abhängt. Generell sind Dünnschichtwerkzeuge auch eher bei niederen Frequenzen (z. B. 20 kHz) einsetzbar, da diese Werkzeugsysteme für höhere Frequenzen eine deutlich zu große Masse besitzen.
Für eine besonders vorteilhafte Anwendung hat sich der Werkstoff ungegerbtes oder gegerbtes Kollagenmaterial, wie z. B. Leder, herausgestellt. Eine bevorzugte Prägezeit liegt unterhalb von 10 Sekunden, bevorzugt unterhalb von 2 Sekunden, besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 2 Sekunden. Der dabei aufgewandte bevorzugte Prägedruck liegt unterhalb von 150 N/cm², was 1,5 MPa entspricht, bevorzugt in einem Bereich von 150 kPa und 1,5 MPa.
Eine weitere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Prägewerkzeugs, ausgeführt zum Prägen einer prägbaren Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 7 dar. Erfindungsgemäß wird zumindest die Prägemotivfläche des Prägewerkzeugs durch ein generatives Verfahren ausgebildet. Insbesondere sind als das generative Verfahren eine subtraktive Fertigung durch Materialabtrag oder eine additive Fertigung durch Materialauftrag vorgesehen.
Bevorzugt sind als Material für die additive Fertigung Metall, Keramik, Metall-Keramik-Verbünde, Keramik-Polymerverbünden und Metall-Polymerverbünde vorgesehen.
Es hat sich zudem überraschend gezeigt, dass unter den Bedingungen des Ultraschallprägens auch Polymere als Stempelmaterialien, speziell für die Prägemotivfläche, einsetzbar sind. Anders als erwartet werden Polymere wie ABS, Polyamid, POM oder PLA während des US-Prägeprozesses nicht so weich, dass sie der Belastung nicht mehr standhalten könnten. Damit kann der zunehmende Trend zur Individualisierung von Lederprodukten bedient werden. Dabei kommen natürliches oder synthetisches Polymer, insbesondere mit hoher Schlagzähigkeit und hoher Wärmeformbeständigkeit, in Betracht. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform werden die natürlichen oder synthetischen Polymere mit anorganischen oder organischen Füllstoffen gefüllt, wobei der Anteil der Füllstoffe 5 - 80%, bevorzugt 10 - 50 % beträgt, wobei als Füllstoffe beispielsweise Hydroxylapatit, Korund, Steinstaub bzw. Gesteinsmehle, Glaspartikel, Metallpartikel, verschiedene Keramikpulver oder auch Carbonfasern verwendet werden, um die thermische und die mechanische Stabilität weiter zu erhöhen und um insbesondere die Härte zu erhöhen.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn als natürliches Polymer thermoplastisch verformbare Proteine, im speziellen thermoplastisches Kollagen oder Kollagenderivate, verwendet werden. Vorteilhaft einsetzbare synthetische Polymere sind ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), Polyamid, POM (Polyoxymethylen) oder PLA (Polylactide, auch Polymilchsäuren genannt). Es kommen aber auch weitere Polymere in Betracht, die eine hohe Temperaturstabilität besitzen, wie z. B. PEEK (Polyetheretherketon), PEKK (Polyetherketonketon), PEI (Polyetherimide) oder Polycarbonat. Bevorzugte Füllstoffe sind Hydroxylapatit, Kreide, Gesteinsmehle, Carbonfasern oder/und Metallpulver.
Als Polymer kann auch thermoplastisches Kollagen verwendet werden, das trocken ist. Alle Polymere lassen sich vor der Verarbeitung zu einer Prägemotivfläche, die dann als Dünnschichtwerkzeug auf die Sonotrode oder auf den Amboss aufgesetzt wird, mit anorganischen, unlöslichen Zuschlagstoffen füllen, wie etwa Hydroxylapatit, Korund, Steinstaub, Glaspartikel, Metallpartikel oder auch Carbonfasern, um die thermische und die mechanische Stabilität weiter zu erhöhen.
Zur Herstellung der Prägemotivfläche lassen sich neben den subtraktiven Verfahren auch additive Verfahren verwenden. Je nach verwendeter Drucktechnologie und verwendetem Drucksystem lassen sich diverse Polymere (synthetische wie natürliche) mit ganz unterschiedlichen Formstabilitäten (Wärmeformbeständigkeiten, Zähigkeiten) einsetzen. Ob Materialextrusion oder Schichtlaminierung, es lassen sich bei entsprechender Kunststoffauswahl und in Abhängigkeit von den Leistungsdaten eines 3D-Druckers Prägemuster in besonders hochwertigen Qualitäten, mit besonders glatten Oberflächen, höchsten Auflösungen und komplexen Geometrien in kürzester Zeit und mit geringem Personalaufwand nach kundenspezifischen Vorgaben fertigen.
Insbesondere Polymere mit hohen Schlagzähigkeiten und Wärmeformbeständigkeiten sind als Materialien für die Prägemotivfläche einsetzbar. Voraussetzung dafür ist jedoch in jedem Fall, dass es eben nicht auf eine dauerhafte Nutzung, Langlebigkeit und Formstabilität der Prägemotivfläche für große Serien ankommt.
Die Auswahl des Kunststoffes hat jedoch auf den Materialverbrauch für den tatsächlich bildformenden Teil des Stempels (Prägemotivfläche, die Prägefläche mit dem Motiv) Einfluss. Beim Einsatz von preiswerten, unverstärkten Polymeren ist von der Gestaltung einer dickeren Prägemotivfläche auszugehen, als dies bei der Verwendung von sehr hochfesten, formstabilen oder sogar carbonfaserverstärkten Kunststoffen der Fall ist. In letzterem Fall sind sehr dünne Prägefolien, die für das einmalige oder nur in sehr geringen Auflagen stattfindende Prägen verwendet werden, denkbar. Diese Prägefolien, nachfolgend auch als Dünnschichtstruktur oder Dünnschichtwerkzeug bezeichnet, werden zwischen die Sonotrode und das zu prägende Leder eingelegt. Die Dicke der Prägemotivfläche und vor allem die Erhabenheit der Struktur beeinflusst wesentlich die mögliche Prägetiefe. Mit Prägefolien lassen sich Prägemuster von geringer Tiefe erzeugen, was aber für bestimmte Anwendungen durchaus gewünscht ist.
Die eigentliche statische Anpresskraft wird neben dem Eintrag des Ultraschalls durch die immer wieder zu verwendende Sonotrode auf die Prägefläche übertragen.
Eine weitere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe stellt ein Prägewerkzeug zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 oder zum Prägen von Leder bzw. eines anderen gegerbten oder ungegerbten Kollagenmaterial mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 7 dar. Nach der Erfindung ist das Prägewerkzeug nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 14 hergestellt. Als vorteilhaft hat sich dabei erwiesen, wenn die Prägemotivfläche an dem Prägewerkzeug, der Sonotrode, oder an dem Gegenwerkzeug, dem Amboss, angeordnet ist
Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich durch die Überlagerung des klassischen Prägevorganges mit Ultraschallschwingungen eine deutliche Reduzierung der erforderlichen Prägedrücke und -temperaturen bei gleichbleibend hoher Prägequalität erreichen lässt. Dabei stellt sich eine energetisch effiziente und wirkstellennahe Erwärmung des Materials in kürzester Zeit mit kalten Werkzeugen, also ohne das Erfordernis einer Vorwärmung, ein. Daher hinaus kann auf eine zusätzliche Aufwärmung oder gar Temperierung von Prägewerkzeugen verzichtet werden. Dies bedeutet eine deutliche Verringerung des maschinellen und energetischen Prägeaufwandes.
Die mit der Wirkung des Ultraschalls einhergehende Verringerung der erforderlichen Prägedrücke und -temperaturen führt zu einer schonenderen Verformung des empfindlichen Naturstoffs Leder. Es werden irreversible Veränderungen und Schädigungen an der Lederoberfläche (Durchprägen, thermische Veränderungen, Verfärbungen, Losnarbigkeiten), die beim konventionellen Prägen häufig auftreten, vermieden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Steigerung der Umformqualität erreicht. Infolge des zyklischen Be- und Entlastens der Lederoberfläche während des durch Ultraschall unterstützten Prägeprozesses und den damit verbundenen zeitlich abhängigen geometrischen Änderung des Werkzeugspaltes wird eine Reduzierung der Reibung zwischen der Materialoberfläche und der Werkzeugkontur erreicht. In der Folge wird die Belastung des Materials reduziert und das Auftreten von Lederbeschädigungen oder -fehlern vermieden. Eine sprunghafte Erhöhung der Relieftiefe bzw. der Steigerung des Umformverhältnisses von Materialdicke zu Relieftiefe kann durch den gezielten Einsatz einer Ultraschallschwingung bei gleichen Druckverhältnissen infolge der erhöhten Materialverdichtung des dynamischen Kraftanteils erreicht werden. Auch eine Erhöhung der Konturschärfe und der Oberflächenglätte wird aufgrund der höheren Materialverdichtung in der Umformzone während der Ultraschallbeaufschlagung erreicht.
Die Erfindung führt außerdem zur Steigerung der Ressourceneffizienz. Dies wird erreicht durch eine Substitution der energetisch aufwendigen Aufheiz- und Temperaturregelprozesse der massiven Prägewalzen oder Prägestempel beim konventionellen Prägen, insbesondere von Leder. Infolge der dynamischen Druckwechselbeanspruchung in der Umformzone entsteht ein fokussierter Energieeintrag, der zu einer Erwärmung des Leders führt. Gegenüber dem konventionellen Prägeprozess wird der statische Prägedruck reduziert. Die Prägung (irreversible Materialverformung) erfolgt hauptsächlich durch die lokal begrenzte Materialkompression infolge des kurzzeitig entstehenden hohen dynamischen Drucks während der Ultraschallbeaufschlagung des Materials in der Wirkzone.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil liegt in der effektiveren Werkzeug- und Prozessgestaltung. Durch die Reduzierung des notwendigen Prägedrucks ist der Einsatz additiver Fertigungsverfahren sowie die Verwendung kostengünstiger Materialien möglich, wodurch eine Fertigung komplexer Prägegeometrien und Muster direkt aus den erstellten CAD-Daten möglich ist. Dies führt zur Vereinfachung der konstruktiven Gestaltung der Werkzeugpaarung.
Aufgrund der zusätzlich zum statischen Anpressdruck erzeugten hohen dynamischen Materialkompression bei vergleichsweise niedrigen statischen Anpressdrücken kann das aufzubringende Prägemuster als Dünnschichtstruktur auf den Amboss beim diskontinuierlichen Prägen aufgebracht werden, während die Sonotrode eine glatte Oberfläche aufweist. Somit kann eine Sonotrode für alle Prägegeometrien genutzt werden. Als Amboss dienen konventionell oder adaptiv gefertigte Prägewerkzeuge bzw. darauf angeordnete Prägemotivflächen, wodurch eine einfache und kostengünstige Überführbarkeit der Technologie in bestehende Anlagen der Industrie gegeben ist.
Durch die vorliegende Erfindung wird auch eine Substitution der zeit- und kostenintensiven und mit engen Toleranzen verbundenen konventionellen Fertigung der Prägewerkzeuge erreicht, wobei zusätzliche Vorteile durch die Verwendung glatter Sonotroden und strukturierter, adaptiv gefertigter Gegenwerkzeuge erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung geht mit einer erhöhten Flexibilität bezüglich Formatwechsels gegenüber dem konventionellen Prägeprozess einher. Durch den Einsatz preiswerter Werkzeugmaterialien (z. B. Kunststoffe, Kunststoffgemische mit hohen Festigkeiten) und der Verwendung adaptiver Fertigungstechnologien kann eine höhere Flexibilität des Prägevorganges hinsichtlich spontaner Musteränderungen, kundenspezifischer Anpassungen, Herstellung von Kleinserien und die schnelle Umrüstung auf neue Motive erreicht werden. Diese Effekte sind sowohl für das diskontinuierliche Prägen in hydraulischen Pressen mit stempelförmigen Prägewerkzeugen als auch für das rotative Prägen auf Durchlaufprägemaschinen mit Prägewalzen erzielbar.
Anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und ihrer teilweisen Darstellung in den zugehörigen Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

1: schematisch eine Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum diskontinuierlichen Prägen;
2: schematisch eine Detailansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum diskontinuierlichen Prägen;
3: eine Wirkstelle als Detail A aus 2;
4: schematisch eine Ansicht von oben einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchlaufprägen und
5: schematisch eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchlaufprägen.

Die 1, 2 und 3 zeigen schematisch eine Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum diskontinuierlichen Prägen. Für die Umsetzung des Ultraschallprägens von Leder werden in Abhängigkeit von der Lederart und dem zu erzielenden Prägeergebnis entweder diskontinuierliche Prägemaschinen oder kontinuierliche Walzenpressen, wie unten zu den 4 und 5 beschrieben, zum Einsatz kommen. Der Eintrag des Ultraschalls in die Prägezone erfolgt über eine longitudinale oder radiale Schwingform der Prägewerkzeuge (Stempel oder Prägewalze).
Die Werkzeugpaarung im ultraschallunterstützten Prägeprozess nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht aus einem Ultraschall-Prägewerkzeug 28, der Sonotrode, mit einer glatten Oberfläche und einem formgebenden Gegenwerkzeug 30, wobei das Gegenwerkzeug 30 erfindungsgemäß aus alternativen Materialien (z. B. Kunststoff, Harz, Kollagen) im additiven Fertigungsverfahren (z. B. 3D-Drucktechnologie) hergestellt wird.
Die Kopplung der Ultraschallwerkzeuge, hier des Prägewerkzeugs 28, mit dem Gestell 10 im diskontinuierlichen Prägeprozess erfolgt über den Schwingungsknoten am Amplitudentransformationsstück oder Booster 24 mit der zugehörigen Boosterhalterung 26. Weiterhin sind ein Konverter 22 und ein Ultraschallgenerator 20 Teile der Ultraschallanordnung. Das Gegenwerkzeug 30 besteht aus einer schwimmend gelagerten Grundplatte mit einem Adapter zum Austausch des hier nicht dargestellten bzw. nicht bezeichneten Prägemotivs. Die letztgenannten Elemente sind in 2 im Detail dargestellt.
In 3 ist wiederum ein Detail der Wirkstelle dargestellt, in der der Prägevorgang stattfindet. Der besseren Erkennbarkeit ist das Prägewerkzeug 28 gestaucht dargestellt. Zudem sind der Darstellung zwei Phasen, vor und während des Prägens gezeigt. Dabei sind Anordnung und Wirkung der Prägemotivfläche 29 erkennbar, die an dem Prägewerkzeug 28 angeordnet das zu prägende Motiv aufweist und dieses in das Leder, den Werkstoff 5 einprägt.
Die Zustellbewegung des Prägewerkzeugs 28, der Sonotrode, zum Gegenwerkzeug 30, zur Verringerung des Werkzeugspalts S im Mikrometermaßstab erfolgt über einen Schubkurbelmechanismus 14 mit einer elektromechanischem Antriebseinheit 12, welche einen konstanten Werkzeugspalt S im Ultraschallprozess gewährleistet. Eine Linearführungseinheit 16 ermöglicht die Längsbewegung von Konverter 22, Booster 24 mit Boosterhalterung 26 und Sonotrode gegenüber dem Gestell 10 zum Erzeugen des statischen Drucks auf den Werkstoff 5.
Der Prägedruck wird durch die Kompression des Werkstoffs 5 zwischen dem Prägewerkzeug 28 und dem Gegenwerkzeug 30 erzeugt und im direkten Kraftfluss mittels eines Kraftsensors 42 gemessen. Über einen Messverstärker 44 wird der Messwert an den Messrechner 40 übertragen. Weitere Messdaten werden über eine Sensorelektronik 43 an den Messrechner 40 übertragen.
Die Prägetemperatur wird aufgrund der Ultraschallschwingungen im Inneren des Werkstoffs 5 bei vergleichsweise kalten Materialoberflächen erzeugt und kann in Abhängigkeit von der Ultraschallamplitude und der Ultraschalldauer bestimmt werden. Nach dem diskontinuierlichen Prägevorgang fahren die kalten Werkzeuge auseinander und der Werkstoff 5 mit dem geprägten Muster kann entnommen werden.
Nach der Entnahme des Musters kann mit dem Start des nächsten Prägevorganges mit demselben oder einem anderen Prägemotiv ohne vorherige Aufheizprozesse begonnen werden. Im Vergleich zu Prägesystemen mit konventionellen Prägewerkzeugen können die Prägesysteme mit Ultraschallwerkzeugen aufgrund des reduzierten Prägedrucks deutlich kleiner ausgelegt werden. Die Kombination eines diskontinuierlichen ultraschallunterstützen Prägeprozesses und der 3D-Drucktechnologie ermöglicht die Individualisierung von Lederwaren direkt am Point of Sale, wobei sich individuellen Prägemotive in kleinen Chargen mit der Losgröße ≥1 ohne kosten- und personalintensive Herstellungsprozesse erzeugen lassen.
Die 4 und 5 zeigen schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 3 zum Durchlaufprägen in je einer Ansicht von vorn und von der Seite. Die Implementierung von Ultraschallwerkzeugen in kontinuierlichen Walzenprägeverfahren erfordert bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine rotationsfähige Ultraschallwalze 62 mit einer ebenen Oberfläche, die das Gegenwerkzeug bildet. Diese ist senkrecht zu einer strukturierten oder mit einer Prägemotivfläche versehenen Prägewalze 56 angeordnet.
Die Strukturierung der Prägewalze 56 kann durch konventionelle Fertigungsmethoden (z. B. Lasergravur) oder der Applikation von 3D-gedruckten Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung am Umfang der Prägewalze 56 erfolgen. Die Lagerung der Ultraschallwalze 62 im Gestell 50 erfolgt beidseitig an den Knotenpunkten des Ultraschallschwingsystems, wobei die Führung der Zustellbewegung über Linearführungen gewährleistet wird. Das Gestell 50 trägt weiterhin eine Druckluftaufbereitung 68 und weist einen Materialeinschub 54 auf.
Das Schließen des Walzenspaltes zwischen Prägewalze 56 und Ultraschallwalze 62, durch den der zu prägende Werkstoff geführt wird, und der Aufbau des Prozessdrucks erfolgen über ein pneumatisches System. Der wirkende Prozessdruck wird direkt im Kraftfluss gemessen. Eine homogene Linienlast ist eines der Hauptkriterien gleichbleibender Relieftiefen entlang des Walzenspaltes. Die Einstellung der Druckverteilung erfolgt über eine beidseitige mechanische Verschiebung des Lagersitzes des Gegenwerkzeuges im Mikrometermaßstab durch die Spaltregulierung 60 in Zusammenwirken mit einer Wegmessung 58.
Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsbeispiel 1:
Es wird ein mit Aldehyd vorgegerbtes (Wet White) und mit dem pflanzlichen Gerbstoff Myrobalan nachgegerbtes Leder, das sich durch einen sehr weichen Griff auszeichnet, als zu prägendes Substrat verwendet. Weiche Leder lassen sich nur sehr schwer mit einer stabilen Prägung versehen. Es wird ein hoher Rückverformungsgrad erwartet.
Für die Einkopplung des Ultraschalls in den Prägeprozess wird eine Prägeeinrichtung verwendet, die mit einem Ultraschallschwinggebilde (Konverter, Amplitudentransformationsstück und Sonotrode) ausgerüstet ist. Die in Form einer Ultraschallschwingung erzeugte mechanische Energie wird mittels statischen Anpressdrucks über die Sonotrode auf das zu behandelnde Material übertragen.
Der mit Hilfe eines 3D-Druckers (FFM) aus Polycarbonat hergestellte Prägestempel wird mittels einer Werkzeughalterung zwischen Sonotrode und dem zu prägenden Leder positioniert. Eine Temperierung des Stempels ist nicht erforderlich.
Die Prägezeit beträgt 0,5 s bei einer Prägekraft von 150 N. Es wird bei bis zu dreimaligem Prägen unter diesen Bedingungen eine Prägetiefe von bis zu 1,5 mm erreicht. Diese Prägung bleibt dauerhaft bestehen.
Ein sehr weiches Leder, wie es in der Bekleidungsindustrie oder als Bezugsstoff für Polstergarnituren oder im Automobilbau verwendet wird, zeichnet sich durch eine sehr flexible, lockere Faserstruktur aus. Dieses Leder ist unter konventionellen Bedingungen nur sehr schwer prägbar. Nur bei entsprechendem Prägedruck und erhöhter Prägetemperatur über einen Zeitraum von bis zu einer halben Minute lassen sich Prägungen auf ein weiches Leder aufbringen.
Aufgrund der hohen Neigung des lockeren Fasergeflechtes zur Rückverformung und zur Rückkehr zum Ausgangszustand verlieren derartige Prägungen jedoch schnell ihre Konturenschärfe bis hin zur vollständigen Aufhebung des Prägebildes. Unterstützt wird diese Rückverformung auch durch die Bewegung des Leders, Zug- und Druckbeanspruchungen, die dem Fasergeflecht helfen, den aufgelockerten Ausgangszustand wieder anzunehmen.
Aufgrund dieser Zusammenhänge ist es nur bedingt möglich, weiche Lederprodukte (z. B. Jacken, Taschen) nachträglich mit konventionellen Prägeparametern und -ausrüstungen mit einer individuellen und stabilen Prägung zu versehen.
Durch den Einsatz des Ultraschalls wird eine in der Prägezone intensive Grenzflächenerwärmung und eine irreversible Umordnung der Faserstruktur erreicht, die eine hohe Konturenschärfe und ein stabiles Prägebild zur Folge haben. Die Rückexpansion der Faserstruktur ist nicht mehr möglich, die Konturenschärfe des Prägebildes bleibt auch mit der Bewegung des Leders erhalten. Eine deutlich verringerte Druck- und Temperaturbeanspruchung des Leders unter Ultraschalleinsatz führt zu einer schonenderen Formgebung an der Lederoberfläche.
Der Einsatz ultraschallangeregter Prägewerkzeuge ermöglicht die nachträgliche Individualisierung von Bekleidungsstücken, gepolsterten Gegenständen, Etuis, Ledereinbänden weicher Lederqualitäten.
Ausführungsbeispiel 2:
Es wird ein vegetabil gegerbter, sehr grob strukturierter Bullenhals mit deutlichen Mastfalten, der sich durch einen sehr festen, steifen Griff auszeichnet, als Werkstoff, als zu prägendes Substrat verwendet. Sehr feste Leder lassen sich nur mit vergleichsweise hohem Druck, vorzugsweise höherer Temperatur und über eine erhöhte Prägedauer mit einer stabilen und konturenscharfen Prägung versehen. Es wird hier ein entsprechender Prägewiderstand zu erwarten sein.
Der mit Hilfe eines handelsüblichen 3D-Druckers (FFM) aus Polycarbonat hergestellte Prägestempel wird mittels einer Werkzeughalterung zwischen Sonotrode und dem zu prägenden Leder positioniert. Eine Temperierung des Stempels ist nicht erforderlich.
Die Prägezeit beträgt 3 s, bei einer Prägekraft von 500 N mit Kraftspitzen bis 1100 N. Es wird bei bis zu dreimaligem Prägen unter diesen Bedingungen eine Prägetiefe von bis zu 1 mm erreicht. Diese Prägung bleibt dauerhaft bestehen.
Ein sehr festes, strapazierfähiges, starres Leder, wie es z. B. für Taschen oder Sättel verwendet wird, lässt sich auf konventionellem Weg nur durch hohen Druck, eine erhöhte Temperatur und über einen langen Prägezeitraum prägen. Das zu verwendende Stempelmaterial, insbesondere das der Prägemotivfläche, selbst muss von hoher Festigkeit sein, um einen formstabilen und konturenscharfen Abdruck im Leder zu erreichen. Deshalb sind metallische Stempel, die mit einem entsprechenden Material-, Personal- und Zeitaufwand hergestellt werden zu verwenden.
Bei hohem Druck in Zusammenspiel mit einer hohen Temperatur kommt es aber auch leicht zur Beschädigung der sensiblen Lederoberfläche. Damit ist der Bereich der Prozessparameter, in dem die sensible Lederoberfläche ohne Beschädigungen geprägt werden kann, sehr eingeschränkt. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Ultraschall lässt sich mit einem deutlich reduzierten Druck und mit nicht vorgewärmten Prägewerkzeugen eine Verformung der festen Faserstruktur erreichen.
Die Prägungen sind mit hoher Konturenschärfe realisierbar. Wenn mit geringerem Druck geprägt werden kann, sind Prägewerkzeuge aus Kunststoff einsetzbar. Diese lassen sich mit einem signifikant geringeren Aufwand herstellen, sind kundenspezifisch sehr schnell anpassbar und können in mobilen, vom Endverbraucher bedienbaren Prägetools verwendet werden.
Ausführungsbeispiel 3:
Es wird ein Automobilleder mit Zurichtung als Werkstoff, als zu prägendes Substrat verwendet. Es handelt sich um ein weiches, Chrom vorgegerbtes und synthetisch nachgegerbtes Leder mit einer thermoplastischen Beschichtung. Die Prägung des Ausgangsstoffes ist sowohl hinsichtlich der lockeren Faserstruktur des Leders, als auch wegen der geringen Druck- und Temperaturverträglichkeit der Beschichtung sehr anspruchsvoll. Die meisten Leder werden mit einer Zurichtung zu Lederprodukten weiterverarbeitet. Nach dem Gerben erfolgt in den allermeisten Fällen eine „Beschichtung“ der Materialien, die die Gebrauchseigenschaften des Produktes begünstigen und oftmals bestimmen.
Die mit Hilfe eines handelsüblichen 3D-Druckers (FFM) aus Polycarbonat hergestellte Prägemotivfläche wird mittels einer Werkzeughalterung zwischen Sonotrode, die den Prägestempel darstellt, und dem zu prägenden Leder positioniert. Eine Temperierung des Stempels bzw. der Prägemotivfläche ist nicht erforderlich. Die Prägezeit beträgt 1 s bei einer Prägekraft von 150 N. Es wird unter diesen Bedingungen eine Prägetiefe von bis zu 0,5 mm erreicht. Diese Prägung bleibt dauerhaft bestehen.
Verbreitet sind Semianilin- und Glattleder, die mit unterschiedlich starken Zurichtungsschichten versehen sind. Derartige Zurichtungen machen das Leder beispielsweise wasser- und abriebfest, verringern die Schmutzempfindlichkeit eines Lederproduktes, geben dem Leder einen bestimmten Farbton. Demzufolge finden Prägungen in vielen Fällen auch nicht allein auf der Lederoberfläche, sondern auf den Oberflächen der Beschichtungsmaterialien statt. Diese können sehr empfindlich auf hohe Drücke und Temperaturen reagieren. Umso wichtiger ist es, durch den Einsatz des Ultraschalls mit einem deutlich reduzierten Prägedruck und verringerten Prägetemperaturen sehr gute Prägequalitäten in den Zurichtungen zu erreichen.
Das nachträgliche Prägen fertiger Lederprodukte mit behandelten Oberflächen (Semianilin- oder Glattleder) mit individuell gefertigten Kunststoffprägestempeln bzw. den Prägemotivflächen gelingt mit Unterstützung der Ultraschallschwingungen in einem niedrigeren Temperatur- und Druckbereich. Die Umsetzung dieser Prozessparameter ist in mobilen, vom Endverbraucher leicht bedienbaren Prägetools denkbar.
Ausführungsbeispiel 4:
Lebensmitteltaugliche Kollagenfolie mit einer Stärke von 20 µm, wie sie für Schinkenverpackungen genutzt wird, wird auf eine becherförmige Matrize gegeben und anschließend mit der entsprechenden Patrize, die die Sonotrode darstellt, umgeformt. Dies stellt dann eine Prägung dar, die eine Materialverformung auf beiden Seiten des Werkstoffs erzeugt, nicht in den Werkstoff hinein.
Die Behandlungszeit beträgt 0,5 sec. Die Folie wird damit formstabil zu einem essbaren Becher geprägt, z. B. für die Herstellung von Pasteten.
Ausführungsbeispiel 5:
Gefriergetrocknete Sheets aus Kollagenfasern, die als Hämostyptika eingesetzt werden. Ein Hämostypikum ist ein blutstillendes Vlies aus Kollagen von etwa 2-5 mm Stärke, das auf Wunden aufgelegt wird (blutende, aber auch Brandwunden), teils wieder abgenommen werden oder auch mit der Haut verwachsen und dann zu neuer Hautbildung führen. In den äußeren Wundbereichen kann eine dichtere Struktur sehr sinnvoll sein.
Vliese aus Kollagen lassen sich ebenso wie Leder, ebenfalls ein Kollagenfasergeflecht, mit erfindungsgemäßen, additiv gefertigten Prägemotivflächen prägen. Auf diese Weise lassen sich Zeichen, wie z. B. Marken, einprägen und es lassen sich selektiv die Saugeigenschaften verstellen. Die Prägedauer ist <1 Sekunde, der Prägedruck liegt bei <50 N/cm².
Bezugszeichenliste

1: diskontinuierliche Prägemaschine
3: Durchlaufprägemaschine
5: Leder, Werkstoff
10: Gestell
12: Antriebseinheit, Anpresseinrichtung
14: Schubkurbelmechanismus, Anpresseinrichtung
16: Linearführungseinheit
20: Ultraschallgenerator, Ultraschallanordnung
22: Konverter, Ultraschallanordnung
24: Booster, Ultraschallanordnung
26: Boosterhalterung, Ultraschallanordnung
28: Prägewerkzeug, Sonotrode
29: Prägemotivfläche
30: Gegenwerkzeug, Amboss
40: Messrechner, LabView-Steuerung
42: Kraftsensor
43: Sensorelektronik
44: Messverstärker
50: Gestell
54: Materialeinschub
56: Prägewalze, Prägewerkzeug
58: Wegmessung Prägewalze
60: Spaltregulierung Prägewalze
62: Ultraschallwalze, Gegenwerkzeug
64: pneumatische Krafterzeugung
66: Zustellbewegung Ultraschallwalze
68: Druckluftaufbereitung
A: Detailansicht
S: Werkzeugspalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 19510240 A1 [0007]
DE 102004034930 A1 [0008]
DE 1858578 U [0009]
DE 2653682 A1 [0010]

Claims

Vorrichtung (1, 3) zum Prägen einer prägbaren Oberfläche eines Werkstoffs (5), die Vorrichtung (1, 3) umfassend ein Prägewerkzeug (28, 56), ein Gegenwerkzeug (30, 62) und eine Anpresseinrichtung (12, 14, 64, 66, 68), durch die beim Prägevorgang zwischen dem Prägewerkzeug (28, 56) und dem Gegenwerkzeug (30, 62) ein statischer Anpressdruck, der auf die Oberfläche und eine Prägemotivfläche (29) wirkt, hervorgerufen wird, wobei die Prägemotivfläche (29) an einer zur Oberfläche hin weisenden Prägeseite an dem Prägewerkzeug (28, 56) oder/und dem Gegenwerkzeug (30, 62) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Prägewerkzeug (28, 56) oder/und das Gegenwerkzeug (30, 62) mit einer Ultraschallanordnung (20, 22, 24, 26) in der Weise verbunden sind, dass zumindest entweder das Prägewerkzeug (28, 56) oder das Gegenwerkzeug (30, 62) in Ultraschallschwingung versetzt und die Energie der Ultraschallschwingung auf die Oberfläche übertragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Prägewerkzeug (28) als ein Prägestempel zum diskontinuierlichen Prägen in einer Prägemaschine (1) oder als eine Prägewalze (56) zur Verwendung in einer Durchlaufprägemaschine (3) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Anpresseinrichtung (12, 14, 16) für den Prägestempel als ein Schubkurbelmechanismus, mit pneumatischen oder hydraulischen Aktoren ausgeführt ist.
Verfahren zum Prägen einer prägbaren Oberfläche mittels eines Prägewerkzeugs (28, 56), wobei eine Prägemotivfläche (29) an einer zu der Oberfläche hin weisenden Prägeseite des Prägewerkzeugs (28, 56) Druck auf die Oberfläche ausübt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Prägewerkzeug (28, 56) oder ein Gegenwerkzeug (30, 62) in Ultraschallschwingung versetzt ist und die Energie der Ultraschallschwingung auf die Oberfläche übertragen und dort eine Prägetemperatur hervorgerufen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Werkstoff (5) ein gegerbtes oder ein ungegerbtes Kollagenfasermaterial ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Prägezeit unterhalb von 10 Sekunden liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der Prägedruck unterhalb von 150 N/cm² liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Prägewerkzeugs (28, 56), ausgeführt zum Prägen einer prägbaren Oberfläche nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Prägemotivfläche (29) des Prägewerkzeugs (28, 56) durch ein generatives Verfahren ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei als das generative Verfahren eine subtraktive Fertigung oder eine additive Fertigung vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei als Material für die additive Fertigung Metall, Keramik, Metall-Keramik-Verbünde, Keramik-Polymerverbünden, Metall-Polymerverbünden sowie natürliches oder synthetisches Polymer vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die natürlichen oder synthetischen Polymere mit anorganischen oder organischen Füllstoffen gefüllt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei als natürliches Polymer thermoplastisch verformbare Proteine verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei thermoplastisches Kollagen oder Kollagenderivate verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei als synthetisches Polymer ABS, Polyamid, POM, PLA, PEEK, PEKK, PEI oder Polycarbonat verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei als Füllstoffe Hydroxylapatit, Kreide, Gesteinsmehle, Carbonfasern, Keramikpulver oder/und Metallpulver verwendet werden.
Prägewerkzeug (28, 56) zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 oder zum Prägen von gegerbtem oder ungegerbtem Kollagenmaterial, mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägemotivfläche (29) des Prägewerkzeugs (28, 56) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 14 hergestellt ist.
Prägewerkzeug nach Anspruch 16, wobei die Prägemotivfläche (29) an dem Prägewerkzeug (28, 56) oder an dem Gegenwerkzeug (30, 62) angeordnet ist.