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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Presswerkzeugs.
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Solche Verfahren sind grundsätzlich bekannt. Beispielsweise wird eine gewünschte Oberflächenstruktur in das Presswerkzeug geätzt, welche beim Pressvorgang auf ein Werkstück übertragen wird. Konkret entspricht die Oberflächenstruktur des Presswerkzeugs dem Negativ einer Struktur einer mit dem Presswerkzeug herzustellenden Platte. Beispielsweise kann eine solche Platte bzw. ein solches Panel als beschichtete Spanplatte, Laminatplatte, High Pressure Laminate-Platte (HPL-Platte), Low-Pressure Laminate Platte (LPL-Platte), Luxury Vinyl Tile (LVT) oder Schichtstoffplatte oder als strukturierte keramische Platte oder Compoundwerkstoff-Platte ausgebildet sein. Beispielsweise können auch Kunststeinplatten mit einer rauen Oberfläche versehen werden. Bei der Herstellung einer solchen Platte wird das Presswerkzeug unter hohem Druck auf eine Rohmasse oder einen Rohling gepresst, um die Oberflächenstruktur auf die Platte zu übertragen.
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Das Ätzverfahren ermöglicht zwar eine feine Strukturierung des Presswerkzeugs, eignet sich aber nur für seichte Vertiefungen und Erhöhungen. Tiefere Strukturen können damit nur eingeschränkt hergestellt werden. Andere Verfahren, mit dem tiefere Strukturen in einem Presswerkzeug (insbesondere tiefer als 0,5 mm) in zufriedenstellender Qualität hergestellt werden können, sind sehr zeitaufwändig.
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DE 10 2004 033 526 A1 beschreibt unter Einsatz der Deflektometrie das Verändern der relativen Orientierung bzw. Position eines Objekts, eines Mustergenerators und einer Aufnahmeeinrichtung zueinander, um Informationen über die Oberfläche des Objektes zu erhalten.
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DE 10 2017 214 378 A1 beschreibt eine automatisierte Bearbeitung von Formkörpern mit automatisierter Datenerfassung einer Ist-Geometrie durch geometrische Vermessung basierend auf Infrarot-Deflektometrie und Quantifizierung einer Materialabweichung der Ist-Geometrie gegenüber einer vorgebbaren Soll-Geometrie.
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Weiterhin wird eine automatisierte Materialkompensation in Abhängigkeit der quantifizierten Materialabweichung mithilfe einer Materialkompensationseinrichtung beschrieben.
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EP 2 839 970 A1 beschreibt das Herstellen einer Oberflächentopografie eines Presswerkzeuges mittels Mikrostrukturierung durch Präparation einer Naturvorlage mit einer Mikrostruktur, Abnahme der Oberfläche mit einem Harz, Scannen der abgeformten Oberflächentopografie durch einen 3D-Scanner, Tiefenmessung der Oberflächentopografie mit einem 3D-Mikroskop, Umwandlung der digitalisierten Daten aus dem Scannverfahren und der Tiefenmessung zu Graustufen-Bitmaps und Verwendung der Graustufen-Bitmaps zur Steuerung eines Bearbeitungsvorgangs der Oberfläche.
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WO 2021/043 445 A1 beschreibt ein Presswerkzeug mit einer strukturierten Pressoberfläche. Zumindest ein Bereich der Pressoberfläche weist eine zapfenförmige und/oder stäbchenförmige Struktur mit von der Pressoberfläche abstehenden Zapfen und/oder Stäbchen auf.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Presswerkzeugs anzugeben. Insbesondere sollen auch tiefere Strukturen in einem Presswerkzeug in zufriedenstellender Qualität hergestellt werden können, sodass mit dem Presswerkzeug hergestellte Platten optisch ansprechend sind und echt aussehen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zum Herstellen eines Presswerkzeugs gelöst, das folgende Schritte umfasst:
- - Bereitstellen des Presswerkzeugs, welches ein vorgefertigtes Ist-Oberflächenprofil mit Vertiefungen und Erhöhungen aufweist,
- - Erfassen des Ist-Oberflächenprofils des Presswerkzeugs,
- - Bestimmen einer Abweichung des Ist-Oberflächenprofils von einem vorgebbaren Soll-Oberflächenprofil des Presswerkzeugs,
- - Bestimmen eines Arbeitsablaufs zur Erreichung des Soll-Oberflächenprofils basierend auf der ermittelten Abweichung und
- - Abtragen von überschüssigem Material basierend auf dem ermittelten Arbeitsablauf, wobei die Erfassung des Ist-Oberflächenprofils des Presswerkzeugs simultan zum Abtragen des überschüssigen Materials erfolgt.
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Mit Hilfe des vorgestellten Verfahrens wird ein Presswerkzeug, das in aller Regel aus Stahl besteht, mehrstufig hergestellt. In einer ersten Bearbeitungsstufe erfolgt eine Grobbearbeitung des Presswerkzeugs, beispielsweise durch Fräsen und/oder Elektroerosion (Funkenerosion). Mit anderen Worten kann das (vorgefertigte) Ist-Oberflächenprofil beispielsweise gefräst oder durch Elektroerosion hergestellt sein oder werden. Mit diesen Bearbeitungsverfahren lassen sich vergleichsweise tiefe beziehungsweise hohe Strukturen herstellen. In einer weiteren Bearbeitungsstufe erfolgt eine Feinbearbeitung des Presswerkzeugs mit Hilfe der oben angegebenen Schritte. Dadurch können auch tiefere Strukturen (insbesondere tiefer als 0,5 mm) in zufriedenstellender Qualität hergestellt werden, sodass mit einem solchen Presswerkzeug hergestellte Platten optisch ansprechend sind und echt aussehen.
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Die Erfassung des Ist-Oberflächenprofils des Presswerkzeugs erfolgt simultan zum Abtragen des überschüssigen Materials. Der Laserscanner läuft dem Druckkopf oder Ablationslaser etwas vor, sodass der Steuerung genug Zeit bleibt, den Arbeitsablauf laufend („on the fly“) zu bestimmen. Dabei ist denkbar, dass der Laserscanner mit dem Druckkopf oder Ablationslaser starr verbunden oder bewegungsgekoppelt ist. Denkbar ist insbesondere auch, dass der Laserscanner, der Druckkopf und die UV-Lichtquelle miteinander starr verbunden oder bewegungsgekoppelt sind.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren.
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In einer Ausführungsvariante des vorgestellten Verfahrens kann die Bestimmung einer Abweichung des Ist-Oberflächenprofils von einem vorgebbaren Soll-Oberflächenprofil des Presswerkzeugs das Bestimmen eines Differenzprofils umfassen, welches durch die Abweichung des Ist-Oberflächenprofils vom Soll-Oberflächenprofil definiert ist, wobei die Bestimmung des Arbeitsablaufs zur Erreichung des Soll-Oberflächenprofils basierend auf dem Differenzprofil erfolgt. Dadurch können insbesondere variierende Abweichung des Ist-Oberflächenprofils vom Soll-Oberflächenprofil gut berücksichtigt werden.
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Günstig ist es, wenn die Erfassung des Ist-Oberflächenprofils des Presswerkzeugs mit Hilfe eines Laserscanners oder durch Einlesen von 3D-Daten des Presswerkzeugs erfolgt. Dadurch kann das Ist-Oberflächenprofil sehr schnell und mit sehr hoher Genauigkeit erfasst werden. Beispielsweise können die 3D-Daten Steuerdaten für eine computergesteuerte Fräsmaschine oder Elektroerosionsmaschine sein, welche das Ist-Oberflächenprofil in der Grobbearbeitungsstufe herstellt. Grundsätzlich können aber auch andere Verfahren zur Erfassung des Ist-Oberflächenprofils eingesetzt werden.
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Vorteilhaft erfolgt das Abtragen des überschüssigen Materials durch
- a) Laserablation des Presswerkzeugs und/oder
- b) durch Ätzen der Oberfläche des Presswerkzeugs.
Beide Verfahren ermöglichen die Herstellung sehr feiner Strukturen mit sehr hoher Oberflächengüte. Sie können einzeln oder in Kombination eingesetzt werden. Beispielsweise kann zuerst die Laserablation und dann das Ätzen eingesetzt werden.
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Günstig ist es, wenn der Schritt b) das Auftragen einer Ätzmaske im Digitaldruckverfahren umfasst. Grundsätzlich ist es denkbar, ein Ätzmittel direkt auf das Presswerkzeug aufzudrucken, in aller Regel wird aber der Umweg über eine Ätzmaske gegangen. Diese wird auf das Presswerkzeug aufgedruckt und wird im nachfolgenden Ätzvorgang vom Ätzmittel nicht oder nur wenig angegriffen. Nach Entfernen des Ätzmittels wird auch die Ätzmaske vom Presswerkzeug entfernt, sodass nur die im Ätzvorgang hergestellten Vertiefungen übrigbleiben. Dieser Ablauf kann wiederholt werden, um eine bestimmte Ätztiefe zu erreichen. Durch das Digitaldruckverfahren können verschiedenste Strukturen mit sehr hoher Präzision auf das Presswerkzeug aufgedruckt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Druckkopf einer Druckvorrichtung für das Auftragen der Ätzmaske vertikal verstellt wird und während des Druckvorgangs einen Abstand zur Oberfläche des Presswerkzeugs in einem vorgebbaren Toleranzbereich beibehält. Insbesondere kann der Abstand in einem Toleranzbereich von 0,5-3,0 mm liegen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ätzmaske auch bei stark variierendem Ist-Oberflächenprofil und sehr tiefen und hohen Strukturen in zufriedenstellender Qualität auf das Presswerkzeug aufgetragen wird und die aufgetragenen Tröpfchen weder übermäßig streuen oder ineinander verlaufen. Beispielsweise kann der Druckkopf von einer Steuerung so angesteuert werden, dass er sich während des Druckvorgangs entlang einer Bahnkurve im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Presswerkzeugs bewegt. Die Position des Druckkopfs in Relation zum Presswerkzeug ist also bei dieser Ausführungsvariante in allen drei Dimensionen einstellbar.
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Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn ein Druckkopf einer Druckvorrichtung für das Auftragen der Ätzmaske gegenüber einer Vertikalen geneigt wird und während des Druckvorgangs einen Winkel zur Oberfläche des Presswerkzeugs in einem vorgebbaren Toleranzbereich beibehält. Dadurch wird gewährleistet, dass die Ätzmaske auch in geneigten Abschnitten des Ist-Oberflächenprofils gleichmäßig aufgetragen wird.
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Zusätzlich oder alternativ ist auch vorstellbar, dass eine während des Druckvorgangs der Ätzmaske auf das Presswerkzeug aufgetragene Fluidmenge variiert wird. Diese wird vergrößert, wenn der zwischen dem Druckkopf und der Oberfläche des Presswerkzeugs liegende Winkel größer wird und umgekehrt. Dadurch kann die Ätzmaske in geneigten Abschnitten des Ist-Oberflächenprofils auch dann gleichmäßig aufgetragen werden, wenn der Druckkopf nicht oder nicht ausreichend neigbar ist. Beispielsweise kann die Fluidmenge dadurch vergrößert werden, dass der Fluidstrom erhöht wird, sodass in gleicher Zeit mehr Material der Ätzmaske austritt, oder es wird die Zeitspanne verlängert, über welche der Druckkopf während des Fluidaustritt an einer Stelle verharrt, oder es wird eine Bewegung des Druckkopfs verlangsamt, oder es wird eine Größe einer Druckdüse variiert, beispielsweise indem verschieden große, auf dem Druckkopf angeordnete Düsen für das Drucken der Ätzmaske verwendet werden.
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Günstig ist es, wenn die Ätzmaske durch Auftragen eines UV-aushärtenden Lacks und anschließendes Härten des Lacks mit einer UV-Lichtquelle hergestellt wird. Dadurch kann der Bearbeitungsprozess mit gut erprobten Mitteln und mit gleichbleibend hoher Qualität ausgeführt werden.
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Günstig ist es weiterhin, wenn das Härten des Lacks simultan zum Druckvorgang erfolgt. In diesem Fall läuft die UV-Lichtquelle dem Druckkopf etwas nach, sodass der Lack vor dem Härten genug Zeit hat, eine vorgegebene Oberfläche zu bilden (also zum Beispiel ausreichend, jedoch nicht übermäßig ineinander verfließt). Denkbar ist, dass die UV-Lichtquelle mit dem Druckkopf starr verbunden oder bewegungsgekoppelt ist.
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Alternativ ist auch denkbar, dass das Härten des Lacks und der Druckvorgang alternierend in voneinander unabhängigen Prozessschritten erfolgen. Das Presswerkzeug wird dabei also zuerst vollständig oder bereichsweise bedruckt und dann dort mit der UV-Lichtquelle bestrahlt.
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Günstig ist es, wenn zwischen dem Druckkopf und dem Presswerkzeug während des Druckvorgangs eine elektrische Spannung angelegt wird. Auf diese Weise werden die Lacktröpfchen gegenpolig zum Presswerkzeug aufgeladen, sodass sie aufgrund der elektrostatischen Kraft (Coulomb-Kraft) von diesem angezogen werden. Die Lacktröpfchen folgen dem kürzesten Weg auf das Presswerkzeug und werden zu den geneigten Passagen des Ist-Oberflächenprofils hin abgelenkt.
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Alternativ zum simultanen Erfassen und Abtragen wäre es auch möglich, dass die Erfassung des Ist-Oberflächenprofils des Presswerkzeugs und das Abtragen des überschüssigen Materials alternierend in voneinander unabhängigen Prozessschritten erfolgen. Das Presswerkzeug wird dabei also zuerst vollständig oder bereichsweise vermessen und dann dort entsprechend abgetragen. Denkbar ist insbesondere auch, dass die Erfassung des Ist-Oberflächenprofils des Presswerkzeugs, der Druckvorgang und das Härten des Lacks alternierend in voneinander unabhängigen Prozessschritten erfolgen.
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Vorteilhaft erfolgt das Abtragen von überschüssigem Material in mehreren Bearbeitungsdurchgängen. Die Menge an Material, die durch Feinbearbeitung in einem Bearbeitungsdurchgang abgetragen werden kann, ist in aller Regel technologisch beziehungsweise prozessbedingt beschränkt. Beispielsweise beträgt die beim Ätzen in einem Bearbeitungsdurchgang maximal erzielbare Tiefe rund 250 µm. Auch die bei der Laserablation in einem Bearbeitungsdurchgang maximal abtragbare Materialmenge ist begrenzt, da die Leistung des Ablationslasers nicht unbeschränkt erhöht werden kann, ohne die Eigenschaften des Presswerkzeugs negativ zu beeinflussen. Daher kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Abtragen von überschüssigem Material in mehreren Bearbeitungsdurchgängen erfolgt. Demgemäß kann vorteilhaft auch vorgesehen sein, dass die Bestimmung des Arbeitsablaufs zur Erreichung des Soll-Oberflächenprofils die Bestimmung der Anzahl an Bearbeitungsdurchgängen für das Abtragen von überschüssigem Material umfasst. Insbesondere entspricht die Anzahl an Bearbeitungsdurchgängen für das Abtragen von überschüssigem Material zumindest der Abweichung des Ist-Oberflächenprofils on einem vorgebbaren Soll-Oberflächenprofils dividiert durch eine prozessbedingte Materialabtragsmenge pro Durchgang. Weicht das Ist-Oberflächenprofil an einer bestimmten Stelle beispielsweise 550 µm vom Soll-Oberflächenprofil ab und können in einem Bearbeitungsdurchgang bei der Feinbearbeitung maximal 250 µm bei zufriedenstellender Qualität abgetragen werden, dann sind also insgesamt zumindest drei Bearbeitungsdurchgänge notwendig, um das überschüssige Material an der besagten Stelle abzutragen.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Digitaldruck auf Basis unterschiedlicher Schwarz-Weiß-Bilder (Bitmaps) erfolgt, wobei jedem Bearbeitungsdurchgang ein gesondertes Schwarz-Weiß-Bild zugeordnet ist oder auf Basis eines Graustufenbildes, wobei ein Grauwert eines Bildpunktes des Graustufenbildes einer Anzahl von Bearbeitungsdurchgängen zugeordnet ist, in denen dieser Bildpunkt gedruckt wird. Bei der ersten Ausführungsvariante wird dann ein Bildpunkt der Ätzmaske gedruckt, wenn dieser schwarz ist (bzw. weiß in invertierter Logik). Unterschiedliche Schwarz-Weiß-Bilder sorgen also dafür, dass in den verschiedenen Bearbeitungsdurchgängen unterschiedliche Ätzmasken gedruckt werden. Alternativ kann ein Grauwert eines Bildpunktes darüber Auskunft geben, wie oft ein Bildpunkt gedruckt wird. Beispielsweise wird ein bestimmter Bildpunkt bei hohen Grauwerten öfter gedruckt (d.h. in vielen Bearbeitungsdurchgängen) als bei niedrigen Grauwerten (d.h. in wenigen Bearbeitungsdurchgängen). Bei inverser Logik können wiederum umgekehrte Verhältnisse vorliegen. Das Festlegen der Schwarz-Weiß-Bilder oder das Festlegen des Graustufenbildes ist dabei Teil der Bestimmung des Arbeitsablaufs.
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Günstig ist es zudem, wenn Material aufgetragen wird, wenn festgestellt wird, dass die Abweichung des Ist-Oberflächenprofils vom Soll-Oberflächenprofil negativ ist und das Ist-Oberflächenprofil tiefer ist als das Soll-Oberflächenprofil. Auf diese Weise können bei der Grobbearbeitung entstandene Fehlstellen wieder mit Material aufgefüllt werden. Denkbar ist beispielsweise, dass ein Metall oder Kunststoff aufgetragen wird. Denkbar ist weiterhin, dass der Materialauftrag galvanisch oder durch Sputtern erfolgt. Damit der aufgetragene Kunststoff gut weiterverarbeitbar ist (z.B. galvanisierbar ist), können diesem Additive zugesetzt sein, insbesondere Kohlenstoff (z.B. in Form von Graphit oder Graphen). Der Materialauftrag kann über das Soll-Oberflächenprofil hinaus erfolgen, sodass dieses in der bereits beschriebenen Weise nachfolgend zum Teil wieder abgetragen werden muss, oder es erfolgt ein Materialauftrag genau bis zum Soll-Oberflächenprofil, sodass zumindest dort ein nachfolgender Materialabtrag unterbleiben kann.
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In einer weiteren günstigen Ausführungsvariante wird das Presswerkzeug nach Herstellung des Soll-Profils beschichtet, insbesondere partiell beschichtet. Beispielsweise kann die Oberfläche verchromt oder mit Keramikbeschichtungen versehen werden, um einerseits die Härte der Oberfläche zu erhöhen, andererseits aber auch um einen bestimmten Glanzgrad oder auch unterschiedliche Glanzgrade herzustellen. Die Oberfläche des Presswerkzeugs kann in diesem Zusammenhang auch poliert oder aufgeraut werden, insbesondere partiell. Beispielsweise eignet sich hierzu mechanisches und elektrochemisches Polieren oder Sandstrahlen.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
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Es zeigen jeweils in stark vereinfachter, schematischer Darstellung:
- 1 ein beispielhaftes Presswerkzeug mit einer Oberflächenstruktur in Schrägansicht;
- 2 einen beispielhaften Ausschnitt aus einem Querschnitt des Presswerkzeugs samt Laserscanner, höhenverstellbarem Druckkopf und UV-Lichtquelle;
- 3 einen beispielhaften Ausschnitt aus einem Querschnitt des Presswerkzeugs samt neigbarem Druckkopf;
- 4 das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Pressplatte und dem Druckkopf;
- 5 das Abtragen von überschüssigem Material mit einem Ablationslaser und
- 6 das Auffüllen einer bei der Grobbearbeitung entstandenen Fehlstelle mit zusätzlichem Material.
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Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
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Die 1 zeigt ein beispielhaftes Presswerkzeug 1 in Form einer Pressplatte mit einer Oberflächenstruktur in Schrägansicht. Die Oberflächenstruktur des Presswerkzeugs 1 entspricht dem Negativ einer Oberflächenstruktur einer mit dem Presswerkzeug 1 herzustellenden Platte bzw. einem herzustellenden Panel, beispielsweise einer beschichteten Spanplatte, Laminatplatte, High Pressure Laminate-Platte (HPL-Platte), Low-Pressure Laminate Platte (LPL-Platte), Luxury Vinyl Tile (LVT) oder Schichtstoffplatte oder einem zu strukturierenden keramischen Werkstoff oder Compoundwerkstoff. Beispielsweise können auch Kunststeinplatten mit einer rauen Oberfläche versehen werden. Bei der Herstellung einer solchen Platte wird das Presswerkzeug 1 unter hohem Druck auf eine Rohmasse oder einen Rohling gepresst, um die Oberflächenstruktur auf die Platte zu übertragen.
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Ein solches Presswerkzeug 1 besteht in aller Regel aus Stahl und wird wie vorgeschlagen mehrstufig bearbeitet. Die Grobbearbeitung des Presswerkzeugs 1 kann beispielsweise durch Fräsen und/oder Elektroerosion (Funkenerosion) erfolgen. Dadurch lassen sich vergleichsweise tiefe beziehungsweise hohe Strukturen herstellen. Um die geforderte Oberflächengüte zu erreichen, wird das Presswerkzeug 1 anschließend in einem weiteren Schritt fein bearbeitet.
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Das vorgeschlagene Verfahren wird anhand den 2 bis 6 näher erläutert, welche einen beispielhaften Ausschnitt aus einem Querschnitt des Presswerkzeugs 1 in Verbindung mit unterschiedlichen Ausführungsvarianten des Verfahrens zeigen.
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In der 1 ist konkret ein Presswerkzeug 1 mit einem Ist-Oberflächenprofil A dargestellt, das beispielsweise durch Fräsen und/oder Elektroerosion hergestellt wurde. Das Ist-Oberflächenprofil A entspricht noch nicht dem geforderten Soll-Oberflächenprofil B, sondern weicht stellenweise davon ab.
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Das Verfahren zum Herstellen des Presswerkzeugs 1 umfasst nun folgende Schritte:
- - Bereitstellen des Presswerkzeugs 1, welches ein vorgefertigtes Ist-Oberflächenprofil A mit Vertiefungen und Erhöhungen aufweist,
- - Erfassen des Ist-Oberflächenprofils A des Presswerkzeugs 1,
- - Bestimmen einer Abweichung des Ist-Oberflächenprofils A von einem vorgebbaren Soll-Oberflächenprofil B des Presswerkzeugs 1,
- - Bestimmen eines Arbeitsablaufs zur Erreichung des Soll-Oberflächenprofils B basierend auf der ermittelten Abweichung und
- - Abtragen von überschüssigem Material basierend auf dem ermittelten Arbeitsablauf, wobei die Erfassung des Ist-Oberflächenprofils des Presswerkzeugs simultan zum Abtragen des überschüssigen Materials erfolgt.
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In dem dargestellten Beispiel erfolgt die Erfassung des Ist-Oberflächenprofils A des Presswerkzeugs 1 mit Hilfe eines Laserscanners 2. Grundsätzlich könnte das Ist-Oberflächenprofil A aber auch anders erfasst werden, beispielsweise durch Einlesen von 3D-Daten des Presswerkzeugs 1. Diese 3D-Daten können beispielsweise Steuerdaten für eine computergesteuerte Fräsmaschine oder Elektroerosionsmaschine sein, welche das Ist-Oberflächenprofil A in der Grobbearbeitungsstufe herstellt. Aus der Abweichung des Ist-Oberflächenprofils A vom Soll-Oberflächenprofil B ergibt sich die abzutragende Menge and überschüssigem Material.
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Wie erwähnt ist die Menge an Material, das durch Feinbearbeitung in einem Bearbeitungsdurchgang abgetragen werden kann, technologisch beziehungsweise prozessbedingt beschränkt. Daher kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Abtragen von überschüssigem Material in mehreren Bearbeitungsdurchgängen erfolgt. Demgemäß kann vorteilhaft auch vorgesehen sein, dass die Bestimmung des Arbeitsablaufs zur Erreichung des Soll-Oberflächenprofils B die Bestimmung der Anzahl an Bearbeitungsdurchgängen für das Abtragen von überschüssigem Material umfasst. Insbesondere entspricht die Anzahl an Bearbeitungsdurchgängen für das Abtragen von überschüssigem Material zumindest der Abweichung des Ist-Oberflächenprofils A von einem vorgebbaren Soll-Oberflächenprofil B dividiert durch eine prozessbedingte Materialabtragsmenge pro Durchgang. Weicht das Ist-Oberflächenprofil A an einer bestimmten Stelle beispielsweise 550 µm vom Soll-Oberflächenprofil B ab und können in einem Bearbeitungsdurchgang bei der Feinbearbeitung maximal 250 µm bei zufriedenstellender Qualität abgetragen werden, dann sind also insgesamt zumindest drei Bearbeitungsdurchgänge notwendig, um das überschüssige Material an der besagten Stelle abzutragen.
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In dem obigen Beispiel umfasst die Bestimmung des Arbeitsablaufs zur Erreichung des Soll-Oberflächenprofils B basierend auf der ermittelten Abweichung also die Festlegung einer Anzahl an Bearbeitungsdurchgängen. In Folge wird das überschüssige Material basierend auf dem ermittelten Arbeitsablauf abgetragen, im skizzierten Beispiel also im Rahmen von zumindest drei Bearbeitungsdurchgängen. In dem in 1 dargestellten Beispiel werden in verschiedenen Bearbeitungsdurchgängen demzufolge die Zwischenprofile C1 und C2 hergestellt, bevor das Soll-Oberflächenprofil B hergestellt wird.
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Die Abweichung des Ist-Oberflächenprofils A vom Soll-Oberflächenprofil B ist in der Regel nicht konstant, sondern variiert. Insbesondere kann zur Bestimmung der Abweichung des Ist-Oberflächenprofils A vom Soll-Oberflächenprofil B ein Differenzprofil bestimmt werden, welches durch die Abweichung des Ist-Oberflächenprofils vom Soll-Oberflächenprofil definiert ist. In Folge kann die Bestimmung des Arbeitsablaufs zur Erreichung des Soll-Oberflächenprofils B basierend auf dem Differenzprofil erfolgen.
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Die Erfassung des Ist-Oberflächenprofils A des Presswerkzeugs 1 erfolgt simultan zum Druckvorgang. Der Laserscanner 2 läuft dem Druckkopf 4 etwas vor, sodass der Steuerung 5 genug Zeit bleibt, den Arbeitsablauf laufend („on the fly“) zu bestimmen. Dabei ist denkbar, dass der Laserscanner 2 mit dem Druckkopf 4 starr verbunden oder bewegungsgekoppelt ist.
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Das Abtragen des überschüssigen Materials kann beispielsweise durch Laserablation des Presswerkzeugs 1 (Fall a) und/oder durch Ätzen der Oberfläche des Presswerkzeugs 1 (Fall b) erfolgen. Insbesondere kann der Schritt b) das Auftragen einer Ätzmaske 3 im Digitaldruckverfahren umfassen. Grundsätzlich wäre es denkbar, ein Ätzmittel direkt aufzudrucken, in aller Regel wird aber der Umweg über eine Ätzmaske 3 gegangen. Diese wird auf das Presswerkzeug 1 aufgedruckt und wird im nachfolgenden Ätzvorgang vom Ätzmittel nicht oder nur wenig angegriffen. Nach Entfernen des Ätzmittels wird auch die Ätzmaske 3 vom Presswerkzeug 1 entfernt, sodass nur die im Ätzvorgang hergestellten Vertiefungen übrigbleiben. Dieser Ablauf kann grundsätzlich beliebig oft wiederholt werden, um eine bestimmte Ätztiefe zu erreichen.
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In der 2 ist dieser Vorgang durch den schematisch dargestellten Druckkopf 4 einer nicht im Detail dargestellten Druckvorrichtung illustriert. In der 2 ist unter dem Druckkopf 4 bereits ein Teil der Ätzmaske 3 dargestellt. Diese Stelle soll im nachfolgenden Ätzvorgang vom Ätzmittel nicht angegriffen werden, da die Abweichung des Ist-Oberflächenprofils A vom Soll-Oberflächenprofil B geringer ist als anderswo. Die Druckvorrichtung kann als Strahldrucker, insbesondere als Matrix-Strahldrucker ausgebildet sein.
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Wo eine Ätzmaske aufzutragen ist, wird bei der Bestimmung des Arbeitsablaufs festgelegt. Dazu wird das vom Laserscanner 2 erfasste Ist-Oberflächenprofil A in dem vorliegenden Beispiel an eine Steuerung 5 übermittelt, welche dieses mit dem Soll-Oberflächenprofil B vergleicht und daraus den Arbeitsablauf ableitet. In Folge wird der Druckkopf 4 dementsprechend angesteuert. Alternativ können auch eingelesene 3D-Daten des Presswerkzeugs 1 die Basis dafür bilden. Ein Scannen mit dem Laserscanner 2 kann dann entfallen.
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Die Bestimmung des Arbeitsablaufs kann auch das Festlegen von Schwarz-Weiß-Bildern (Bitmaps) oder das Festlegen eines Graustufenbildes umfassen, auf deren oder dessen Basis der Druckvorgang erfolgt. Beispielsweise kann der Digitaldruck auf Basis unterschiedlicher Schwarz-Weiß-Bilder erfolgen, wobei jedem Bearbeitungsdurchgang ein gesondertes Schwarz-Weiß-Bild zugeordnet ist oder auf Basis eines Graustufenbildes, wobei ein Grauwert eines Bildpunktes des Graustufenbildes einer Anzahl von Bearbeitungsdurchgängen zugeordnet ist, in denen dieser Bildpunkt gedruckt wird.
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Bei der ersten Ausführungsvariante wird dann ein Bildpunkt der Ätzmaske gedruckt, wenn dieser schwarz ist (bzw. weiß in invertierter Logik). Unterschiedliche Schwarz-Weiß-Bilder sorgen somit dafür, dass in den verschiedenen Bearbeitungsdurchgängen unterschiedliche Ätzmasken 3 gedruckt werden. Beispielsweise kann ein bestimmter Bildpunkt in den Schwarz-Weiß-Bildern für die Bearbeitungsdurchgänge der Zwischenprofile C1, C2 und des Soll-Oberflächenprofils B mal weiß sein, mal schwarz, je nachdem ob der betreffende Bildpunkt in dem betreffenden Bearbeitungsdurchgang geätzt werden soll oder nicht.
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Alternativ kann ein Grauwert eines Bildpunktes darüber Auskunft geben, wie oft ein Bildpunkt gedruckt wird. Beispielsweise wird ein bestimmter Bildpunkt bei hohen Grauwerten öfter gedruckt (d.h. in vielen Bearbeitungsdurchgängen) als bei niedrigen Grauwerten (d.h. in wenigen Bearbeitungsdurchgängen). Für das konkrete Beispiel bedeutet dies, dass der Grauwert eines Bildpunktes angibt, in welchen Bearbeitungsdurchgängen für die Zwischenprofile C1, C2 und für das Soll-Oberflächenprofil B der betreffende Bildpunkt geätzt wird oder nicht.
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Alternativ zum simultanen Erfassen und Abtragen wäre es auch denkbar, dass die Erfassung des Ist-Oberflächenprofils A des Presswerkzeugs 1 und der Druckvorgang alternierend in voneinander unabhängigen Prozessschritten erfolgen. Das Presswerkzeug 1 wird in diesem Fall zuerst vollständig oder bereichsweise vermessen und dann dort bedruckt.
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Vorteilhaft wird die Ätzmaske 2 durch Auftragen eines UV-aushärtenden Lacks und anschließendes Härten des Lacks mit einer UV-Lichtquelle 6 hergestellt. Vorteilhaft ist es dabei, wenn das Härten des Lacks simultan zum Druckvorgang erfolgt. In diesem Fall läuft die UV-Lichtquelle 6 dem Druckkopf 4 etwas nach, sodass der Lack vor dem Härten genug Zeit hat, eine vorgegebene Oberfläche zu bilden (also zum Beispiel ausreichend, jedoch nicht übermäßig ineinander zu verfließen). Bei dieser Ausführungsvariante ist auch denkbar, dass die UV-Lichtquelle 6 mit dem Laserscanner 2 starr verbunden oder bewegungsgekoppelt ist. Denkbar ist insbesondere auch, dass der Laserscanner 2, der Druckkopf 4 und die UV-Lichtquelle 6 miteinander starr verbunden oder bewegungsgekoppelt sind.
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Alternativ ist auch hier möglich, dass das Härten des Lacks und der Druckvorgang alternierend in voneinander unabhängigen Prozessschritten erfolgen. Denkbar ist somit insbesondere auch, dass die Erfassung des Ist-Oberflächenprofils A des Presswerkzeugs 1, der Druckvorgang und das Härten des Lacks alternierend in voneinander unabhängigen Prozessschritten erfolgen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Druckkopf 4 vertikal verstellbar ist und während des Druckvorgangs einen Abstand d zur Oberfläche des Presswerkzeugs 1 in einem vorgebbaren Toleranzbereich beibehält, so wie das in der 2 dargestellt ist. Demgemäß wird der Druckkopf 4 von der Steuerung 5 so angesteuert, dass er sich während des Druckvorgangs entlang der Bahnkurve E bewegt. Der Abstand zwischen dem Druckkopf 4 und dem Presswerkzeug 1 ist also in allen drei Dimensionen einstellbar. Insbesondere kann der Abstand d in einem Toleranzbereich von 0,5-3,0 mm liegen.
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Hinweis: in der 2 ist auch ein Auffüllungsprofil D dargestellt, dessen Bedeutung später in der 6 erläutert wird.
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3 zeigt nun eine Ausführungsvariante, bei welcher der Druckkopf 4 für das Auftragen der Ätzmaske 3 gegenüber einer Vertikalen geneigt wird. Konkret wird er durch die Steuerung 5 während des Druckvorgangs so angesteuert, dass er einen Winkel α zur Oberfläche des Presswerkzeugs 1 in einem vorgebbaren Toleranzbereich beibehält. Dadurch wird gewährleistet, dass die Ätzmaske 3 auch in geneigten Abschnitten des Ist-Oberflächenprofils A gleichmäßig aufgetragen wird. Die 3 zeigt den Druckkopf 4' auch zu einem weiteren Zeitpunkt, an dem er sich über einem geneigten Abschnitt des Ist-Oberflächenprofils A befindet.
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Zusätzlich oder alternativ ist vorstellbar, dass eine während des Druckvorgangs der Ätzmaske 3 auf das Presswerkzeug 1 aufgetragene Fluidmenge variiert wird. Diese wird vergrößert, wenn der zwischen dem Druckkopf 4 und der Oberfläche des Presswerkzeugs 1 liegende Winkel α größer wird und umgekehrt. Dadurch kann die Ätzmaske 3 in geneigten Abschnitten des Ist-Oberflächenprofils A auch dann gleichmäßig aufgetragen werden, wenn der Druckkopf 4 nicht oder nicht ausreichend neigbar ist. Beispielsweise kann die Fluidmenge dadurch vergrößert werden, dass der Fluidstrom erhöht wird, sodass in gleicher Zeit mehr UV-aushärtender Lack austritt, oder es wird die Zeitspanne verlängert, über welche der Druckkopf 4 während des Fluidaustritt an einer Stelle verharrt, oder es wird eine Bewegung des Druckkopfs 4 verlangsamt oder es wird eine Größe einer Druckdüse variiert, beispielsweise indem verschieden große, auf dem Druckkopf 4 angeordnete Düsen für das Drucken der Ätzmaske 3 verwendet werden.
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Um den Lackauftrag generell, insbesondere aber an den geneigten Stellen des Ist-Oberflächenprofils A zu verbessern, kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Druckkopf 4 und dem Presswerkzeug 1 während des Druckvorgangs mit Hilfe einer Spannungsquelle 7 eine elektrische Spannung angelegt wird, so wie das in der 4 dargestellt ist. Auf diese Weise werden die Lacktröpfchen gegenpolig zum Presswerkzeug 1 aufgeladen, sodass sie aufgrund der elektrostatischen Kraft (Coulomb-Kraft) vom Presswerkzeug 1 angezogen werden. Sie folgen dabei dem kürzesten Weg, sodass sie zu geneigten Passagen des Ist-Oberflächenprofils A hin abgelenkt werden.
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5 zeigt weiterhin eine Ausführungsvariante, bei welcher der Materialabtrag mit Hilfe eines Ablationslasers 8 (nicht zu verwechseln mit dem Laserscanner 2) erfolgt. In der 5 ist beispielhaft eine vom Ablationslaser 8 hergestellte Brennmulde 9 dargestellt.
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Das zum Druckkopf 4 Gesagte ist sinngemäß auch auf den Ablationslaser 8 anwendbar. Insbesondere kann dieser
- - vertikal verstellt werden und während des Materialabtrags in einem Abstand d zur Oberfläche des Presswerkzeugs 1 in einem vorgebbaren Toleranzbereich gehalten werden und/oder
- - gegenüber einer Vertikalen geneigt werden und während des Materialabtrags in einem Winkel α zur Oberfläche des Presswerkzeugs 1 in einem vorgebbaren Toleranzbereich gehalten werden.
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Weiterhin kann
- - die Laserleistung variiert werden und vergrößert werden, wenn ein zwischen dem Ablationslaser 8 und der Oberfläche des Presswerkzeugs 1 liegender Winkel α größer wird und umgekehrt, und/oder
- - das Abtragen von überschüssigem Material in mehreren Bearbeitungsdurchgängen erfolgen.
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Generell kann der Materialabtrag nur durch Ätzen, nur durch Laserablation oder durch Kombination von Ätzen und Laserablation erfolgen.
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6 zeigt in einer weiteren Ausführungsvariante, dass mit Hilfe einer Material-Auftragseinrichtung 10 Material auch aufgetragen werden kann, wenn festgestellt wird, dass die Abweichung des Ist-Oberflächenprofils A vom Soll-Oberflächenprofil B negativ ist und das Ist-Oberflächenprofil A tiefer ist als das Soll-Oberflächenprofil B. In der 6 wird dies im Bereich des Auffüllungsprofils D festgestellt. Dementsprechend wird die tiefe Mulde bis zur strichpunktierten Linie mit Material aufgefüllt. Denkbar ist beispielsweise, dass ein Metall oder Kunststoff aufgetragen wird. Denkbar ist weiterhin, dass der Materialauftrag beispielsweise galvanisch oder durch Sputtern erfolgt. In dem gezeigten Beispiel liegt das Auffüllungsprofil D über dem Soll-Oberflächenprofil B, sodass das aufgetragene Material in der bereits beschriebenen Weise teilweise wieder abgetragen werden muss. Denkbar ist natürlich auch, dass die Mulde nur bis zum Soll-Oberflächenprofil B mit Material aufgefüllt wird. Ein nachfolgender Materialabtrag kann dann unterbleiben.
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Generell kann das Presswerkzeug 1 nach Herstellung des Soll-Oberflächenprofils B beschichtet werden, insbesondere partiell. Beispielsweise kann die Oberfläche verchromt oder mit Keramikbeschichtungen versehen werden, um einerseits deren Härte zu erhöhen, andererseits aber auch um einen bestimmten Glanzgrad oder auch unterschiedliche Glanzgrade herzustellen. Die Oberfläche des Presswerkzeugs 1 kann in diesem Zusammenhang auch poliert oder aufgeraut werden, insbesondere partiell. Beispielsweise eignet sich hierzu mechanisches und elektrochemisches Polieren oder Sandstrahlen.
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Abschließend wird festgehalten, dass der Schutzbereich durch die Patentansprüche bestimmt ist. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind jedoch zur Auslegung der Ansprüche heranzuziehen. Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können für sich eigenständige erfinderische Lösungen darstellen. Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.
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Insbesondere wird auch festgehalten, dass die dargestellten Vorrichtungen in der Realität auch mehr oder auch weniger Bestandteile als dargestellt umfassen können. Teilweise können die dargestellten Vorrichtungen beziehungsweise deren Bestandteile auch unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Presswerkzeug
- 2
- Laserscanner
- 3
- Ätzmaske
- 4, 4'
- Druckkopf
- 5
- Steuerung
- 6
- UV-Lichtquelle
- 7
- Spannungsquelle
- 8
- Ablations-Laser
- 9
- Brennmulde
- 10
- Material-Auftragseinrichtung
- α
- Winkel
- d
- Abstand
- A
- Ist-Oberflächen profil
- B
- Soll-Oberflächenprofil
- C1, C2
- Zwischenprofil
- D
- Auffüllungsprofil
- E
- Bahnkurve Druckkopf
