DE10256059B4

DE10256059B4 - Hot embossing tools

Info

Publication number: DE10256059B4
Application number: DE2002156059
Authority: DE
Inventors: Mathias Dr. Heckele; Hans Biedermann; Heinz Dinglreiter; Harald Dittrich
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2002-11-30
Filing date: 2002-11-30
Publication date: 2009-08-20
Anticipated expiration: 2022-12-01
Also published as: DE10256059A1

Abstract

Heißprägewerkzeug, umfassend
a) ein oberes und ein unteres Abformwerkzeug (6 bzw. 7) mit Strukturen (12),
b) eine Heizung (10) für die Abformwerkzeuge, sowie
c) ein oberes und ein unteres Stammwerkzeug (4 bzw. 5) mit jeweils einer Aufnahme des oberen bzw. unteren Abformwerkzeugs,
dadurch gekennzeichnet, dass
d) die Aufnahmen eine Führung (13) mit Federn (14) umfassen, sowie
e) die Abformwerkzeuge in der Führung geführt sind und durch die Federn von dem Stammwerkzeug unter Bildung jeweils eines Luftspaltes (8) vorgespannt sind.Hot stamping tool comprising
a) an upper and a lower molding tool (6 or 7) with structures (12),
b) a heater (10) for the impression tools, as well
c) an upper and a lower stem tool (4 or 5) each having a receptacle of the upper or lower molding tool,
characterized in that
d) the recordings include a guide (13) with springs (14), and
e) the impression tools are guided in the guide and are biased by the springs of the master tool to form each of an air gap (8).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heißprägewerkzeug.The The present invention relates to a hot stamping tool.

Heißprägeverfahren, bei denen derartige Heißprägewerkzeuge eingesetzt werden, dienen insbesondere der Einprägung von Strukturen in Werkstücken aus einem Material, welches anstelle eines definierten Schmelzpunkts einen Temperaturbereich aufweist, in dem oberhalb eines Erweichungspunktes ein ausgeprägtes viskoelastisches Materialverhalten auftritt. Bei dem Heißprägevorgang wird die Oberfläche des Werkstücks während des Eindrückens des Heißprägewerkzeugs mit einem Prägehub in einer vorgegebenen Prägerichtung auf eine Temperatur oberhalb dieses Erweichungspunktes des Werkstückmaterials aufgeheizt. Technisch wird hierfür zumindest die einzuprägende Negativstruktur auf dem Heißprägewerkzeug temperiert. Insofern eignet sich das Heißprägeverfahren zur Strukturierung insbesondere von thermoplastischen Kunststoffen oder Gläsern, nicht aber für Metalle, die einen definierten Schmelzpunkt anstelle eines Schmelzbereiches aufweisen.Hot embossing process, where such hot stamping tools are used, in particular the impression of structures in workpieces from a material which, instead of a defined melting point a temperature range in which above a softening point a pronounced viscoelastic material behavior occurs. In the hot stamping process becomes the surface of the workpiece while of impressions of the hot stamping tool with an embossing stroke in a given embossing direction to a temperature above this softening point of the workpiece material heated. Technically, this is at least the one to be impressed Negative structure on the hot stamping tool tempered. In this respect, the hot stamping process is suitable for structuring especially of thermoplastics or glasses, not but for Metals that have a defined melting point instead of a melting range exhibit.

Heißprägeverfahren eignen sich im Gegensatz zu untemperierten Prägeverfahren vor allem zum Abformen auch höherer Strukturen. Um bei einer Entformung die geprägten höheren Strukturen nicht zu beschädigen ist hierzu eine besonders exakte Führung der beiden Teile des Heißprägewerkzeugs unbedingt in Prägerichtung erforderlich. Zur Entformung muss das Werkstück außerdem wieder auf eine Temperatur unterhalb des Erweichungspunkts abgekühlt sein. Zudem erfolgt der eigentliche Prägevorgang zur Vermeidung von Fehlprägungen aufgrund von Lufteinschlüssen zwischen Werkstück und Heißprägewerkzeug im Vakuum.Hot embossing process In contrast to untempered embossing processes, they are especially suitable for molding even higher Structures. In order not to damage the embossed higher structures at a demolding this is a particularly precise guide the two parts of the hot stamping tool necessarily in embossing direction required. For demolding, the workpiece must also be back to a temperature Be cooled below the softening point. In addition, the actual embossing process to avoid misrepresentations due to of air bubbles between workpiece and Hot embossing tools in a vacuum.

Eine Vorrichtung zur Durchführung eines Heißprägeverfahrens für die Abformung von Kunststoffen ist in [1] beschrieben. Sie besteht im wesentlichen aus einer spindelgetriebenen Universalprüfmaschine mit zwei Auflagern. Diese Auflager dienen als Flansche für die beiden Teile, und zwar eines oberen und eines unte ren Teils, des Heißprägewerkzeuges. Dieses besteht aus jeweils einer oberen und einer unteren Heizplatte, auf denen je ein Abformwerkzeug mit den abzuformenden, als Negativstrukturen gestalteten Strukturen befestigt ist und welche gegen die Auflager mit je einer Isolierplatte thermisch isoliert sind. Die Temperierung der beiden Strukturen erfolgt über die Heizplatten, welche Durchflusskanäle zur Durchleitung eines temperierten Öls aufweisen. Ferner ist an einer der Heizplatten ein Vakuumzylinder mit Dichtung angebracht, wobei die Dichtung beim eigentlichen Prägeprozeß auf eine entsprechende Gegenfläche der gegenüberliegenden Heizplatte unter Bildung eines evakuierbaren Volumens um die Abformwerkzeuge luftdicht aufliegt.A Apparatus for carrying out a hot stamping process for the Impression of plastics is described in [1]. It consists in essentially from a spindle-driven universal testing machine with two supports. These supports serve as flanges for the two Parts, one upper and one lower part, of the hot stamping tool. This consists of an upper and a lower heating plate, on each of which a molding tool with the abzuformenden, designed as negative structures Structures is fixed and which against the supports with one each Insulating plate are thermally insulated. The temperature of the two Structures are over the heating plates, which flow channels for the passage of a tempered oil. Furthermore, on one of the heating plates, a vacuum cylinder with seal attached, wherein the seal in the actual embossing process on a corresponding counter surface the opposite Heating plate to form an evacuable volume around the impression tools airtight.

Ferner wird in [2] ein Heißprägewerkzeug beschrieben. Es umfasst ein oberes und ein unteres Abformwerkzeug mit Strukturen, eine Heizung für die Abformwerkzeuge, sowie ein oberes und ein unteres Stammwerkzeug mit jeweils einer Aufnahme des oberen bzw. unteren Abformwerkzeug.Further becomes a hot stamping tool in [2] described. It includes an upper and a lower impression tool with structures, a heater for the impression tools, as well as an upper and a lower stem tool each with a recording of the upper and lower molding tool.

Auch in [3] wird ein Heißprägewerkzeug mit einem elektrisch leitfähigen und damit direkt heizbaren Presswerkzeug offenbart.Also in [3] becomes a hot stamping tool with an electrically conductive and thus directly heatable pressing tool disclosed.

[4] offenbart zudem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Oberflächenstrukturen auf Kunststoff mit einem Prägeverfahren, sieht aber eine Vorwärmung des Kunststoffs mit einem Einprägen eines kalten Werkzeuges vor.[4] also discloses a method and apparatus for manufacturing of surface structures on plastic with a stamping process, but sees a warm-up of the plastic with a stamping a cold tool.

Die in [1] bis [3] beschriebenen Heißprägewerkzeuge weisen jedoch hohe aufzuheizende Massen und damit Wärmekapazitäten auf. Da ein Heißprägewerkzeug bei einem Heißprägevorgang aufgeheizt und vor allem für die Entformung in möglichst kurzer Zeit auch wieder abgekühlt werden muss, bedeutet dies nicht nur einen relativ hohen Energieverbrauch sondern auch eine Begrenzung der minimal erforderlichen Prozesszeit nach unten.The However, hot stamping tools described in [1] to [3] have high aufheizende masses and thus heat capacities. As a hot stamping tool in a hot stamping process heated up and especially for the demoulding as short as possible Time also cooled down again not only does this mean relatively high energy consumption but also a limitation of the minimum required process time downward.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Heißprägewerkzeug vorzuschlagen, welches die genannten Einschränkungen nur in reduzierter Form aufweist, dabei bereits von der Grundkonzeption mit einer geringeren aufzuheizenden Masse auskommt und bereits konzeptionell für die Erzielung von besonders kurzen Abkühlzeiten ausgelegt ist.Of the The invention is therefore based on the object, a hot stamping tool to propose, which the mentioned restrictions only in reduced Form, while already from the basic concept with a lower aufheizenden mass gets along and already conceptually for the achievement especially short cooling times is designed.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.The The object is solved by the features of claim 1. advantageous Embodiments of the invention are given in the subclaims.

Wesentlich bei der Erfindung ist die Gestaltung des Abformwerkzeuges, welches, mit einer eigenen Heizung ausgestattet, als eigenständige Komponente thermisch von den übrigen Komponenten, insbesondere von dem als Belastungsstempel dienenden Stammwerkzeug, des Heißprägewerkzeuges getrennt ist. Die thermische Tren nung erfolgt durch einen Luftspalt zwischen Abformwerkzeug und Stammwerkzeug, welcher nur in einem relativ kurzen Zeitabschnitt während eines Heißprägevorganges zur Übertragung einer Prägekraft vom Stammwerkzeug auf das Abformwerkzeug geschlossen ist. Die Prägekraft bewirkt nämlich ein Zusammendrücken des Luftspaltes und damit eine temporäre Überbrückung der thermischen Trennung. Größere Teile der im Abformwerkzeug gespeicherten Wärmemenge fließen folglich in diesem relativ kurzen Zeitabschnitt unisoliert in Richtung des Stammwerkzeugs ab.Essential in the invention is the design of the molding tool, which, equipped with its own heating, as a separate component thermally separated from the other components, in particular of the serving as a stress stamp master tool, the hot stamping tool. The thermal separation is carried out by an air gap between molding tool and master tool, which is closed only in a relatively short period of time during a hot stamping process for transmitting an embossing force from the master tool to the molding tool. Namely, the embossing force causes a compression of the air gap and thus a temporary bridging of the thermal separation. Larger parts of the amount of heat stored in the molding tool thus flow in this relatively short period of time uninsulated in the direction of the trunk tool.

Durch diese Gestaltung wird in vorteilhafter Weise einerseits das für den Heißprägeprozess aufzuheizende Materialvolumen und damit die aufzuwendende Heizenergiemenge gering gehalten und andererseits durch die temporäre Überbrückung der thermischen Trennung eine Abkühlung der Abformwerkzeuge in sehr kurzer Zeit realisiert.By This design is advantageously the one hand for the hot stamping process aufheizende material volume and thus the expended amount of heating energy kept low and on the other hand by the temporary bridging of the thermal Separation a cooling off the impression tools realized in a very short time.

Die Erfindung wird im folgenden an einer Ausführungsform unter Hinzuziehung der einzigen Figur näher beschrieben. Es zeigt die Figur eine Schnittdarstellung des prinzipiellen Aufbaus des beanspruchten Heißprägewerkzeuges.The The invention will be described below with reference to an embodiment closer to the single figure described. The figure shows a sectional view of the principal Structure of the claimed hot stamping tool.

Wie der Figur zu entnehmen ist, besteht das Heißprägewerkzeug im Wesentlichen aus zwei spiegelbildlich zueinander angeordneten, ansonsten prinzipiell aber identisch aufgebauten oberen und unteren Heißprägewerkzeughälften 1 und 2, welche zwischen den beiden Auflagern 3 einer Belastungsvorrichtung, vorzugsweise einer modifizierten Universalprüfmaschine eingesetzt sind. Die obere und die untere Heißprägewerkzeughälfte 1 und 2 umfassen jeweils ein oberes bzw. unteres Stammwerkzeug 4 bzw. 5 sowie jeweils ein oberes bzw. unteres Abformwerkzeug 6 bzw. 7. Zwischen den Stammwerkzeugen und den Abformwerkzeugen befinden sich jeweils eine der zuvor beschriebenen Luftspalte 8 als thermische Trennung, zwischen den beiden Abformwerkzeugen 6 und 7 des Heißprägewerkzeugs ein Prägeraum 9 zum Einschieben eines nicht weiter dargestellten Werkstücks. In den Abformwerkzeugen 6 und 7 befinden sich zudem Kanäle 10 für die Aufnahme eines flüssigen oder gas förmigen Heizmediums, wie z. B. Öl, Wasser oder Wasserdampf, oder von Heizelementen, wie z. B. Widerstandsheizelementen, als Heizung für die Abformwerkzeuge.As the figure can be seen, the hot stamping tool consists essentially of two arranged in mirror image to each other, but otherwise basically constructed identically constructed upper and lower hot stamping tool halves 1 and 2 which is between the two supports three a loading device, preferably a modified universal testing machine are used. The upper and lower hot stamping tool halves 1 and 2 each include an upper or lower stem tool 4 respectively. 5 and in each case an upper or lower molding tool 6 respectively. 7 , Between the parent tools and the impression tools are each one of the previously described air gaps 8th as thermal separation, between the two impression tools 6 and 7 of the hot stamping tool is a stamping space 9 for inserting a workpiece, not shown. In the molds 6 and 7 There are also channels 10 for receiving a liquid or gaseous heating medium, such as. As oil, water or steam, or heating elements, such as. B. resistance heating elements, as a heater for the impression tools.

Unerheblich für die Erfindung und daher in der Figur nicht dargestellt sind periphere Komponenten des Heißprägewerkzeuges, wie z. B. Komponenten einer Vakuumkammer um den Prägeraum 9, Fördereinrichtungen für das Werkstück, Sensoren, Aufnehmer oder Endschalter für einen Prägehub oder auch externe Steuergeräte oder Zuleitungen für die zuvor erwähnte Heizung.Irrelevant to the invention and therefore not shown in the figure are peripheral components of the hot stamping tool, such. B. components of a vacuum chamber around the stamping space 9 , Conveyors for the workpiece, sensors, transducers or limit switches for an embossing stroke or external control devices or supply lines for the aforementioned heating.

Für einen Heißprägevorgang wird ein Werkstück in den Prägeraum 9 geschoben und der Prägeraum evakuiert. Ungefähr zeitgleich werden die Abformwerkzeuge 6 und 7 aufgeheizt und parallel zu der angedeuteten Symmetrieachse 11 in das Werkstück eingedrückt, wobei sich Strukturen 12 auf den beiden Abformwerkzeugen als Negativstrukturen unter Bildung von inversen Abformstrukturen in das Werkstück einprägen. Dabei wird über die Auflager 3 und die Stammwerkzeuge 4 und 5 eine Prägekraft parallel zur der Symmetrielinie 11 auf die Abformwerkzeuge übertragen wodurch sich auch die beiden Luftspalte 8 bis zum Berühren der Abformwerkzeuge auf die Stammwerkzeuge zusammendrücken. Durch die Berührung wird die thermische Trennung zwischen Abformwerkzeug und Stammwerkzeug überbrückt, sodass die in den Abformwerkzeugen enthaltene Wärmemenge mit einem erheblich reduzierten Widerstand in das Stammwerkzeug abfließen kann. Es kommt somit, wie auch zuvor allgemein beschrieben, in besonders vorteilhafter Weise zu einer erheblichen Beschleunigung des Abkühlungsvorganges der beiden Abformwerkzeuge vor einem anschließenden Abheben dieser vom Werkstück und damit grundsätzlich zu einer erheblichen Beschleunigung eines jeden Heißprägezyklus.For a hot stamping process, a workpiece is in the stamping room 9 pushed and the embossing room evacuated. At about the same time, the impression tools become 6 and 7 heated and parallel to the indicated symmetry axis 11 pressed into the workpiece, with structures 12 on the two impression tools as negative structures with the formation of inverse impression structures in the workpiece. It is about the supports three and the master tools 4 and 5 an embossing force parallel to the symmetry line 11 transferred to the impression tools whereby also the two air gaps 8th until the impression tools have touched on the master tools. As a result of the contact, the thermal separation between the molding tool and the master tool is bridged so that the amount of heat contained in the molding tools can flow away into the master tool with a considerably reduced resistance. It thus comes, as also generally described above, in a particularly advantageous manner to a considerable acceleration of the cooling process of the two impression tools before a subsequent lifting these off the workpiece and thus in principle to a considerable acceleration of each hot stamping cycle.

Konstruktiv weisen die Stammwerkzeuge Aufnahmen jeweils für ein Abformwerkzeug auf. Sie bestehen vorzugsweise aus einer Führung 13, vorzugsweise aus Führungsschrauben, Präzisionsschaftschrauben, Stiften, Bundbolzen oder Führungsbolzen, für eine Relativbewegung des Abformwerkzeugs zum Stammwerkzeug parallel zu der Symmetrielinie 11, sowie Mitteln, vorzugsweise vorgespannte Schraubenfedern 14, welche Abformwerkzeug und Stammwerkzeug unter Bildung des Luftspaltes auseinander drücken. Die Führung 13, in der Figur als Führungsschrauben dargestellt, weist dabei einen Schraubenkopf als Bund auf, wobei der Bund mit einem entsprechend geformten Absatz in einer Durchgangsbohrung durch das Abformwerkzeug eine formschlüssige maximale Begrenzung für die Breite des Luftspaltes darstellt. Ferner ist die Führungsschraube als Schaftschraube ausgeführt, wobei der Schaft eine Gleitpassung mit dem Teil der Durchgangsbohrung mit dem geringe ren Durchmesser bildet. Meist ist diese Führung für einen Präzisionsheißprägeprozess nicht präzise genug, sodass zusätzliche Zentrierungen zwischen den beiden Abformwerkzeugen zueinander, beispielsweise Gleitstifte oder Zentrierbolzen, welche während des Prägehubs in beiden Abformwerkzeuge 6 und 7 eingreifen, vorzusehen sind.Structurally, the master tools each have recordings for an impression tool. They preferably consist of a guide 13 , preferably of guide screws, Präzisionsschaftschrauben, pins, collar bolts or guide pins, for a relative movement of the molding tool to the master tool parallel to the symmetry line 11 , as well as means, preferably prestressed coil springs 14 , which press molding tool and stem tool apart to form the air gap. The leadership 13 , represented in the figure as guide screws, in this case has a screw head as a collar, wherein the collar with a correspondingly shaped shoulder in a through hole through the molding tool represents a positive maximum limit for the width of the air gap. Further, the guide screw is designed as a shaft screw, wherein the shaft forms a sliding fit with the part of the through hole having the smaller ren diameter. In most cases, this guide is not precise enough for a precision hot stamping process, so that additional centering between the two impression tools to one another, for example sliding pins or centering pins, which during the embossing stroke in both impression tools 6 and 7 intervene, are provided.

Literaturliterature

[1] A. Both, W. Bacher, M. Heckele, R. Ruprecht: Production of Movable LIGA Microstructures by Positioned Impression; Scientific Reports FZKA 5671 (November 1995) pp. 49-76, especially pp. 61-63
[2] DE 196 48 844 C1
[3] WO 02/092326 A1
[4] DE 41 08 236 C1

Claims

Hot stamping tool, comprising a) an upper and a lower molding tool ( 6 respectively. 7 ) with structures ( 12 ) b) a heater ( 10 ) for the impression tools, as well as c) an upper and a lower stem tool ( 4 respectively. 5 ), each with a receptacle of the upper or lower molding tool, characterized in that d) the recordings a guide ( 13 ) with springs ( 14 ), and e) the impression tools are guided in the guide and by the springs of the master tool to form in each case an air gap ( 8th ) are biased.

Hot stamping tool according to claim 1, wherein the guide ( 13 ) has a guide direction which is parallel to the stamping direction.

Hot stamping tool according to one of the preceding claims, wherein the guide ( 13 ) several guide screws and the springs ( 14 ) are arranged around the pins coil springs.