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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bedrucken einer Oberfläche, vorzugsweise
einer Kunststoffoberfläche,
durch Heißprägen.
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Oftmals
werden heutzutage Oberflächen
von Kunststoffteilen im Heißtransfer-
und Heißprägeverfahren
dekoriert bzw. bedruckt. Beim Heißprägen wird im Gegensatz zum Heißtransferverfahren
mit einer vollflächig
einfarbig beschichteten Folie gearbeitet. Das Bild wird hierbei über die
Kontur des Stempels (eventuell Typenrad, Nadeldruckkopf) erzeugt. Das
Heißtransferverfahren
arbeitet hingegen mit vorgedruckten, meist mehrfarbigen Bildern,
Schriftzügen,
Logo, etc. Dabei liegt das Bild mit allen seinen Informationen bereits
vorgedruckt auf der Folie.
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Die
Heißtransfer-
und Heißprägeverfahren benötigen – abhängig vom
jeweiligen Kunststoff – unterschiedlich
hohe Temperaturen und Prägezeiten. Bei
allen Heißpräge-/Transferverfahren
werden vorgedruckte Farbpigmente von einer Folie übertragen. Zum Übertragen
ist die Zuführung
von Wärme
notwendig. Sie dient dem Aktivieren von der "Loslöseschicht" auf der Folie und
des Schmelzklebers zum Fixieren der Pigmente auf dem Substrat. Diese
Wärme wird
im allgemeinen über
einen beheizten Heißprägestempel
durch die Folie hindurchgeführt.
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Der
Heißtransferstempel
besteht meistens aus einem Aluminiumträger mit einer dem jeweiligen Prozeß angepaßten Silikonbeschichtung
zum Ausgleichen von Unebenheiten des zu bebildernden Kunststoffteils.
Die Silikonbeschichtung am Heißprägestempel
bewirkt aufgrund ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit einen hohen Temperaturgradienten
zwischen dem Aluminiumträger
und der Silikonaußenoberfläche des
Heißprägestempels.
Gerade bei einer kurzen Taktzeit, wie bei der Zahnbürstenfertigung, kommt
es deshalb zu einer nicht ausreichenden Erholzeit der Silikonoberfläche. Dadurch
muß eine
höhere
Temperatur im Aluminiumträger
bereitgestellt werden, um die optimale Arbeitstemperatur zu erreichen.
Bei Stillstandszeiten des Heißprägestempels über 20 sec.
stellt sich dadurch eine zu hohe Stempeltemperatur ein. Die Folge
der hohen Temperatur sind Ausschußteile, bis die Arbeitstemperatur
wieder erreicht ist. Eine Gegensteuerung der Temperatur am Heißprägestempel
ist kaum möglich,
da das System der Heißtransferpresse
zu träge
reagiert.
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Aus
der
DE 34 40 131 C2 ist
bereits ein Verfahren zum Bedrucken eines Substrates durch Heißprägen bekannt.
Das aus der
DE 34 40
131 C2 bekannte Verfahren beschreibt eine Vorwärmung einer Prägefolie
auf eine Temperatur unmittelbar unter der Farbschmelztemperatur
der von ihr getragenen Pigmente. Die Anwendung und Beschreibung
kann nur bei einem sehr dünnen
Substrat funktionieren, da der Heißprägestempel mit seiner metallischen
Oberfläche
durch das Substrat hindurch die informationsbildenden Farbpigmente
in Kontakt mit dem beheizten Gegendruck und Prägefolie bringt. Eine solche
Anwendung ist zum Dekorieren von Oberflächen undenkbar.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, Mittel zu finden, mit denen die Heißprägestempeltemperatur reduziert
werden kann und dadurch sich eine längere Stempellebensdauer und
weniger Maschinenstillstand ergeben. Gleichzeitig soll mit der Erfindung
weniger Ausschuß durch
Maschinenanlauf erreicht werden. Gleichzeitig soll bei einer Verbesserung
der Haftung des Heißtransferbildes
bei gleicher Stempeltemperatur die Stempelzeit verkürzt werden.
Und schließlich
soll noch das aufgedruckte Dekor bzw. die Druckschicht sicherer
auf der Oberfläche
haften.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst.
Die Heizeinrichtung wird so über
der Werkstückoberfläche angebracht,
daß die
gesamte zu dekorierende Oberfläche
homogen aufgeheizt wird. Dadurch kann die Stempeltemperatur während der
Produktion gesenkt werden und gleichzeitig wird die Erholzeit der Silikonoberfläche des
Heißprägestempels
verringert, was zu einer Taktzeiterhöhung der zu bedruckenden Teile
führt.
Außerdem
wird erreicht, daß sich
während der
Stillstandzeiten die Stempeltemperatur zu stark erhöht, weil
von vorne herein diese geringer ausgelegt sein kann.
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Durch
die Merkmale des Patentanspruchs 2 kann man über eine Anpassung der Heizleistung oder
der zu beaufschlagenden Heizzeit unterschiedlichen Absorptionsverhalten
der zu bedruckenden Kunststoffoberflächen im laufenden Druckprozeß gerecht
werden. Hat man also zu bedruckende Oberflächen, die mehr Wärme zum
Aufheizen auf eine bestimmte Temperatur benötigen, so muß entweder
die Heizzeit länger
oder aber die Heizleistung höher
ausgebildet werden. Dadurch wird dann in gleicher Zeiteinheit bei
unterschiedlichen Werkstoffoberflächen die gleiche Endtemperatur
erreicht, so daß der
Heißprägestempel
nicht unnötig
temperaturbelastet werden muß.
Es wird eine optimale Bedruckung bei intensiver Haftung aufgrund
der gleichmäßigeren
Temperaturen sowohl am Prägestempel
wie am zu bedruckenden Teil erreicht.
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Besonders
vorteilhaft sind die Merkmale des Patentanspruchs 3, wonach die
Oberflächenbeschaffenheit
und die Temperatur der zu bedruckenden Oberfläche eines Werkstücks von einem
Sensor erfaßt
wird, der die Daten an einer Auswerteeinrichtung übergibt,
wo dann entsprechend die Heizleistung bzw. die Heizdauer der Heizeinrichtung
an diese Beschaffenheiten angepaßt wird. Hieraus ergeben sich dann
immer in gleichen Zeitabständen
gleiche Temperaturen an den zu beheizenden Oberflächen eines zu
bedruckenden Werkstückes.
Auch kann hierdurch selbstverständlich
die Taktzeit eines Bedruckungsvorgangs erhöht werden, weil der Druckstempel
nicht die zu bedruckende Oberfläche
mehr allzulange aufheizen muß.
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Gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 4 besteht die Heizeinrichtung aus einem Infrarotstrahler.
Infrarotstrahler ermöglichen über eine Steuerung
von Zeit, Leistung, Arbeitsabstand und Art der Fokussierung eine
definierte und reproduzierbare Erwärmung der zu bedruckenden Oberfläche und sind
insbesondere auch besonders preiswert. Auch läßt sich ein Infrarotstrahler
besonders einfach, um die Heizstrahlung auf die zu bedruckende Oberfläche zu erhöhen, zur
oder weg von der Oberfläche
eines Werkstücks
bewegen. Es sind aber auch andere Heizeinrichtungen, wie ein Heizlüfter (Anspruch
5), Laserlicht, Gasflamme oder sonstige, ein Werkstück aufheizende
Wärmequellen
denkbar.
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Gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 6 ist es vorteilhaft, wenn die zu bedruckende Oberfläche auf
eine Temperatur von 30° C
bis 250° C,
bei Kunststoffoberflächen
vorzugsweise von 80° C bis
120° C,
aufgeheizt wird. Je nachdem, was für eine zu bedruckende Oberfläche eines
Werkstücks
gewählt
wurde, wird hieran die Oberflächentemperatur eingestellt,
um am Heißprägestempel
geringstmögliche
Temperaturbelastungen zu erhalten. Es muß allerdings darauf geachtet
werden, daß nicht
zu hohe Temperaturen gewählt
werden, die gegebenenfalls zu einer Beschädigung der im Prozess beteiligten Teile
führen
könnte.
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Gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 7 ist die zu bedruckende Oberfläche eine aus
Kunststoff hergestellte Zahnbürste.
Es sind aber auch mit diesem Verfahren der Bedruckung einer Oberfläche andere
Gegenstände,
wie Gehäuse
von Naßrasierern,
Gehäuse
von Haushaltsgeräten,
etc. zugänglich.
Besonders vorteilhaft läßt sich
das Verfahren an Kunststoffen aus Polypropylen bewerkstelligen (Patentanspruch
8). Auch hier können
alle beliebigen Kunststoffe eingesetzt werden, die sich nach dem
Verfahren mit der entsprechenden Druckfolie bedrucken lassen.
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Die
Merkmale des Patentanspruchs 9 ermöglichen eine Inline-Messung,
d.h., es kann während
des Aufheizvorganges der zu bedruckenden Oberfläche deren Ist-Temperatur ständig überwacht werden,
bis die gewünschte
Temperatur erreicht ist.
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Ein
einziges Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
näher erläutert.
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In
der einzigen Figur ist die Heißprägevorrichtung 1 im
Blockschaltbild dargestellt, um den prinzipiellen Aufbau besser
darstellen zu können.
Die Heißprägevorrichtung 1 besteht
aus einem an einer Hebe- und Senkeinrichtung 2 befestigten
Heißprägestempel 3,
der seinerseits aus einem mit einem Heizblock 4 in thermischem
Kontakt stehenden Aluminiumfundament 5 zusammengesetzt
ist, das an seiner nach der Figur nach unten zeigenden Fläche 8 mit
einer dicken und auf Druck elastisch nachgiebigen Silikonbeschichtung 6 versehen
ist, deren untere freie Fläche
die Stempelfläche 7 bildet.
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Nach
der Figur verläuft
unterhalb der Stempelfläche 7 eine
mit einer Farbschicht 9 (gestrichelt dargestellt) beaufschlagte
Trägerfolie 10,
die über Lenkrollen 11, 12 und
eine in der Zeichnung nicht dargestellte Spannvorrichtung unter
Spannung gehalten wird. Die Lenkrolle 11 ist nach der Figur
links und die Lenkrolle 12 rechts von dem Heißprägestempel 3 auf
gleicher Höhe
angeordnet, so daß in
diesem Bereich die Trägerfolie 10 horizontal
verläuft.
Die Bewegungsrichtung 14 der Hebe- und Senkeinrichtung verläuft senkrecht
zu der Trägerfolie 10,
damit beim Drucken im wesentlichen keine Querkräfte auf die Trägerfolie 10 gelangen
und diese eventuell zur Seite oder in Förderrichtung 15 gar
beschleunigt befördert wird.
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Entgegen
der Transportrichtung 17 gesehen hinter der Lenkrolle 11 verläuft die
Trägerfolie 10 senkrecht
nach oben, wo sie auf einer in der Zeichnung nicht dargestellten
Spule aufgewickelt ist. Rechts von der Lenkrolle 12 wird
ebenfalls die Trägerfolie 10 auf
einer nicht dargestellten Spule wieder aufgewickelt, allerdings
ist dort nicht mehr auf der einen Seite die Farbschicht 9 vorhanden,
weil sie bereits beim Druckvorgang auf die Oberfläche 18 eines Werkstückes 16 aufgeprägt wurde.
Im Bereich zwischen den Lenkrollen 11, 12 unterhalb
der Trägerfolie 10 werden
auf einem in der Zeichnung nicht dargestellten Fließband zu
bedruckende Werkstücke 16 in konstantem
Abstand zueinander parallel zur Trägerfolie 10 von links
nach rechts gemäß der durch
die Pfeile 17 dargestellte Transportrichtung befördert.
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Die
Werkstücke 16 sind
vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt und weisen die zu bedruckende Oberfläche 18 auf,
wobei das rechts vom Heißprägestempel 3 ausgebildete
Werkstück 16 bereits
mit der Farbschicht 9 behaftet ist. Die Oberflächen 18 der Werkstücke 16 sind
in diesem Ausführungsbeispiel gleichermaßen gekrümmt ausgebildet,
was aber beim Bedruckungsvorgang nichts ausmacht, weil der Heißprägestempel 3 eine
verhältnismäßig dicke
Silikonbeschichtung 6 aufweist, die sich beim Bedrucken
flächig
an der Oberfläche 18 des
Werkstückes 16 aufgrund
seiner elastischen Verformung anlegt und so sehr gleichmäßig die
Trägerfolie 10 gegen
die Oberfläche 18 des
Werkstückes 16 anpreßt, damit die
Farbschicht 9 über
die gesamte zu bedruckende Oberfläche 18 gleichmäßig angedrückt wird.
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Unterhalb
des in der Figur mittig angeordneten Werkstückes 16 befindet sich
eine Gegendruckeinrichtung 19, die, wenn der Heißprägestempel 3 gegen
das Werkstück 16 nach
unten fährt,
etwa gerade im gleichen Moment nach oben fährt, bis es an der Unterseite 20 des
Werkstückes 16 anliegt
und so der Heißprägestempel 3 seinen
Prägedruck
voll auf die Oberfläche 18 des
Werkstückes 16 abgeben kann,
ohne daß dabei
das Werkstück 16 nach
unten oder oben entweicht. Die Hubrichtung 21 der Gegendruckeinrichtung 19 ist
also vor dem Bedrucken nach der Figur nach oben und nach dem Bedrucken
nach unten gerichtet. Die Hubeinrichtung 21 bildet mit
der Hebe- und Senkeinrichtung 2 eine Betätigungseinrichtung,
die immer gegenläufig
arbeitet und deren Mittenachsen auf einer gemeinsamen Achse liegen. Nur
so ist gewährleistet,
daß das
Werkstück 16 mit dem
Heißprägestempel 3 und
der Gegendruckeinrichtung 19 fluchtet, um mittig auf das
Werkstück 16 die
Druckkräfte
einwirken zu lassen.
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Nach
der Figur ist links von dem Prägestempel 3 oberhalb
der Oberfläche 18 des
Werkstücks 16 eine
Heizeinrichtung 22 in Form einer Infrarotlampe angeordnet,
die vorzugsweise ebenfalls auf- und abbewegt werden kann, was durch
die Bewegungsrichtung 23 angezeigt wird. Seitlich neben
der Heizeinrichtung 22 ist ein Sensor 24 angeordnet,
der dazu dient, die Art des Werktstücks 16 und die Beschaffenheit
der Oberfläche 18 eines
Werkstückes 16 zu
ermitteln, um dann elektrische Signale über die Leitung 25 einer
elektronischen Auswerteeinrichtung 26 zuzusenden. Die elektronische
Auswerteeinrichtung 26 berechnet dann mittels eines Mikroprozessors
(nicht dargestellt) die entsprechende Wärmemenge und steuert dann dementsprechend über die
Leitung 27 die Heizeinrichtung 22 dahingehend,
daß diese
entweder mehr oder weniger auf- oder abbewegt wird oder daß die Wärmestrahlung
erhöht
wird. Es kann selbstverständlich
auch das Fließband
(nicht dargestellt) in seiner Geschwindigkeit und somit die Taktzeit
erhöht
oder reduziert werden, um auch hierdurch die Oberfläche 18 eines
Werkstückes 16 auf
die erforderliche Temperatur zu bringen. Eine derartige Ausführung ist
dann von besonders großem
Vorteil, wenn unterschiedliche Werkstücke sich auf dem Fließband befinden
und abwechselnd beliebig nacheinander bedruckt werden sollen. Die
von der Heizeinrichtung 22 abgegebene Wärmestrahlung wird mit der Positionsnummer 29 angezeigt.
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Der
Sensor 24 kann ein Pyrometer sein, mit dem eine Inline-Messung
möglich
ist, d.h., während der
abgegebenen Wärmestrahlung
der Heizeinrichtung 22 wird auch gleichzeitig die Temperatur
der Oberflächen 18 des
zu bedruckenden Werkstücks 16 ermittelt.
Es ist möglich,
eine Inline-Messung mit einem Pyrometer durchzuführen. Das Pyrometer muß in einem
Wellenlängenbereich
arbeiten, der außerhalb
des Wellenlängenbereichs
der Infrarotlampe liegt. Die Temperatur wird dann direkt auf der
Oberfläche 18 gemessen.
Die Oberfläche 18 wird
solange aufgeheizt, bis eine vorgegebene Temperatur erreicht ist.
Da die zu bedruckenden Oberflächen 18 zwar
unterschiedliche Farben haben können,
aber alle aus dem selben Material sind, ist der Meßfehler durch
die Farbunterschiede zu vernachlässigen.
In diesem Fall kann auf die Bestimmung der Farbe verzichtet werden.
Die Messung würde
es ermöglichen, die
laufende Produktion zu dokumentieren. Einem Absinken der Lampenleistung
(Lampenalterung würde
automatisch entgegengewirkt.
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Die
Heißprägevorrichtung 1 arbeitet
folgendermaßen:
Zunächst wird
der Heißprägestempel 3 über den Heizblock 4 auf
seine vorgegebene Temperatur aufgewärmt. Sobald dieser diese erforderliche
Temperatur erreicht hat, wird die Heizeinrichtung 22 (oder auch
schon vorher) eingeschaltet und das erste Werkstück 16 an seiner Oberfläche 18 bis
zu der erforderlichen Temperatur aufgeheizt. Wie dies mittels des
Sensors 24 und der Auswerteeinrichtung 26 vonstatten
geht, wurde bereits zuvor kurz erwähnt. Sobald die Temperatur
erreicht ist, kann das Förderband
sich in Bewegung setzen und die Werkstücke werden in Transportrichtung 17 bewegt,
bis sich eines senkrecht unter der Stempelfläche 7 befindet. Zwischen
der Stempelfläche 7 und
der Oberfläche 18 befindet
sich die Trägerfolie 10,
deren Farbschicht 9 auf der der Oberfläche 18 des Werkstücks 16 zugewandten
Unterseite 28 ausgebildet ist. Nun bewegen sich sowohl
der Heißprägestempel 3 wie
die Gegendruckeinrichtung 19 auf das Werkstück 16 zu
und die Farbschicht 9 wird gegen die Oberfläche 18 des Werkstücks 16 durch
die elastische Stempelfläche 7 gleichmäßig aufgepreßt. Da die
Oberfläche 18 des Werkstücks 16 noch
ausreichend heiß ist
und auch die Stempelfläche 7 ihre
Betriebstemperatur aufweist, wird die Farbschicht 9 von
der Trägerfolie 10 abgelöst und auf
die Oberfläche 18 des
Werkstücks 16 aufgeklebt,
wobei bestimmte Kleber in der Farbschicht 9 dazu beitragen,
daß eine
feste Verbindung zwischen der Farbschicht 9 und der Oberfläche 18 des
Werkstücks 16 entsteht.
Selbstverständlich
werden dabei auch Farbteile der Farbschicht 9 in die Oberfläche 18 des
Werkstückes 16 eingeschmolzen, um
so eine innige Verbindung der Farbschicht 9 mit der Oberfläche 18 zu
schaffen.
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Während zuvor
das Werkstück 16 unter
den Heißprägestempel 3 gefördert wurde,
wurde gleichzeitig ein neues Werkstück 16 unter die Heizeinrichtung 22 gefördert, das
in dem Moment, wo bedruckt wird, wieder von der Heizeinrichtung 22 an
seiner Oberfläche 18 beheizt
wird. Nun fahren sowohl der Heißprägestempel 3 wie
die Gegendruckeinrichtung 19 gegenläufig wieder auseinander und
das Förderband
transportiert das bedruckte Werkstück 16 in Förderrichtung 15 nach
rechts, wo es nach einer kurzen Abkühlzeit vom Förderband
entnommen werden kann.
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Das
bedruckte Werkstück 16 weist
nunmehr an seiner Oberfläche 18 die
Farbschicht 9 auf und ist somit bedruckt. Die Trägerfolie 10 wird
nun wieder taktweise ein Stückchen
in der Figur nach rechts bewegt, damit wiederum ein Stückchen Trägerfolie 10 mit
einer Farbschicht 9 im Druckbereich vorhanden ist. Die
frei von der Farbschicht 9 gewordene Trägerfolie 10 wird rechts
auf einer in der Zeichnung nicht dargestellten Rolle aufgewickelt.
Nun wird nach dem Aufheizvorgang das nächste Werkstück 16 unter
den Heißprägestempel 3 geführt und
kann bedruckt werden. Der Vorgang wird nun taktweise fortgeführt, und es
können
in sehr kurzer Zeit vielmehr Werkstücke 16 bedruckt werden
als zuvor, weil, bevor der Heißprägestempel 3 die
Farbschicht 9 auf die Oberfläche 18 des Werkstücks 16 drückt, die
Oberfläche 18 durch
die Heizeinrichtung 22 – und nicht durch den Prägestempel 3 – auf die
erforderliche Temperatur gebracht wurde. Ein Auswechseln eines Heißprägestempels 3 aufgrund
thermischer Überlastung
ist auch nicht mehr erforderlich.