-
Hintergrund
-
Bearbeitungstechniken
können verwendet werden, um eine große Vielfalt
von Werkstücken zu erzeugen, wie etwa Mikroreplikationswerkzeuge.
Mikroreplikationswerkzeuge werden gewöhnlich für Strangpreßverfahren,
Spritzgießverfahren, Prägeverfahren, Gießverfahren
oder dgl. verwendet, um mikroreplizierte Strukturen zu erzeugen.
Die mikroreplizierten Strukturen können aufweisen: optische
Filme, Schleifmittelfilme, Klebstoffilme, mechanische Befestigungsmittel
mit selbsteingreifenden Profilen oder beliebige Spritz- oder Strangpreßteile
mit mikroreplizierten Merkmalen mit relativ kleinen Abmessungen,
wie etwa Abmessungen von weniger als annähernd 1000 Mikrometern.
-
Die
Mikrostrukturen können auch durch verschiedene andere Verfahren
hergestellt werden. Zum Beispiel kann die Struktur des Urwerkzeugs
durch ein Gieß- und Aushärtungsverfahren vom Urwerkzeug auf
andere Medien, wie etwa ein Band oder Bahn aus Polymermaterial, übertragen
werden, um ein Fertigungswerkzeug auszubilden; dieses Fertigungswerkzeug
wird dann verwendet, um die mikroreplizierten Struktur herzustellen.
Weitere Verfahren, wie etwa Elektro- bzw. Galvanoformung, können
verwendet werden, um das Urwerkzeug nachzubilden. Ein weiteres alternatives
Verfahren zur Herstellung eines Lichtleitfilms ist das direkte Schneiden
oder Bearbeiten eines transparenten Materials, um geeignete Strukturen
auszubilden. Weitere Techniken sind u. a. chemisches Ätzen,
Kugelstrahlen oder andere stochastische Flächenmodifikationstechniken.
-
Zusammenfassung
-
Eine
erste Schneidwerkzeuganordnung weist einen Werkzeughalter und ein
Stellglied auf, das für eine Befestigung am Werkzeughalter
und für eine elektrische Kommunikation mit einer Steuereinrichtung
konfiguriert ist. Eine am Stellglied befestigte Werkzeugspitze ist
für eine Bewegung in bezug auf ein zu schneidendes Werkstück
montiert. Das Stellglied bewirkt eine Bewegung der Werkzeugspitze
in einer X-Richtung in das Werkstück hinein und aus diesem
heraus, und die Werkzeugspitze ist in unterbrochenem Kontakt mit
dem Werkstück, während dieses geschnitten wird.
-
Eine
zweite Schneidwerkzeuganordnung weist einen Werkzeughalter und ein
Stellglied auf, das für eine Befestigung am Werkzeughalter
und für eine elektrische Kommunikation mit einer Steuereinrichtung
konfiguriert ist. Eine am Stellglied befestigte Werkzeugspitze ist
für eine Bewegung in bezug auf ein zu schneidendes Werkstück
montiert. Das Stellglied bewirkt eine Bewegung der Werkzeugspitze
in einer X-Richtung in das Werkstück hinein und aus diesem
heraus. Die Werkzeugspitze ist während des Schneidens in
unterbrochenem Kontakt mit dem Werkstück, und die Anordnung
kann während des Schneidens einen Schrägeintrittswinkel
der Werkzeugspitze in das Werkstück und einen Schrägaustrittswinkel
der Werkzeugspitze aus dem Werkstück variieren.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Die
beigefügten Zeichnungen sind in diese Patentschrift aufgenommen
und bilden einen Teil von ihr und erklären zusammen mit
der Beschreibung die Vorteile und Grundgedanken der Erfindung. Die Zeichnungen
zeigen folgendes:
-
1 ist
eine graphische Darstellung eines Schneidwerkzeugsystems zur Herstellung
von Mikrostrukturen in einem Werkstück;
-
2 ist
eine graphische Darstellung, die ein Koordinatensystem für
ein Schneidwerkzeug veranschaulicht;
-
3 ist
eine graphische Darstellung eines exemplarischen PZT-Stapels zur
Verwendung in einem Schneidwerkzeug;
-
4A ist
eine perspektivische Ansicht eines Werkzeugspitzenträgers;
-
4B ist
eine Vorderansicht eines Werkzeugspitzenträgers zum Halten
einer Werkzeugspitze;
-
4C ist
eine Seitenansicht eines Werkzeugspitzenträgers;
-
4D ist
eine Draufsicht eines Werkzeugspitzenträgers;
-
5A ist
eine perspektivische Ansicht einer Werkzeugspitze;
-
5B ist
eine Vorderansicht einer Werkzeugspitze;
-
5C ist
eine Unteransicht einer Werkzeugspitze;
-
5D ist
eine Seitenansicht einer Werkzeugspitze;
-
6A ist
eine geschnittene Draufsicht eines FTS-Stellglieds für
unterbrochenen Schnitt;
-
6B ist
eine geschnittene Vorderansicht, die die Plazierung eines PZT-Stapels
in einem Stellglied veranschaulicht;
-
6C ist
eine Vorderansicht eines Stellglieds;
-
6D ist
eine Rückansicht eines Stellglieds;
-
6E ist
eine Draufsicht eines Stellglieds;
-
6F und 6G sind
Seitenansichten eines Stellglieds;
-
6H ist
eine perspektivische Ansicht eines Stellglieds;
-
7A ist
eine graphische Darstellung, die einen unterbrochenen Schnitt veranschaulicht,
wobei ein Schrägeintrittswinkel der Werkzeugspitze in das Werkstück
und ein Schrägaustrittswinkel der Werkzeugspitze aus dem
Werkstück gleich sind;
-
7B ist
eine graphische Darstellung, die einen unterbrochenen Schnitt veranschaulicht,
wobei ein Schrägeintrittswinkel der Werkzeugspitze in das Werkstück
kleiner ist als ein Schrägaustrittswinkel der Werkzeugspitze
aus dem Werkstück;
-
7C ist
eine graphische Darstellung, die einen unterbrochenen Schnitt veranschaulicht,
wobei ein Schrägeintrittswinkel der Werkzeugspitze in das Werkstück
größer ist als ein Schrägaustrittswinkel der
Werkzeugspitze aus dem Werkstück; und
-
8 ist
eine graphische Darstellung, die Mikrostrukturen andeutungsweise
veranschaulicht, die unter Verwendung des Schneidwerkzeugsystems mit
einem FTS-Stellglied für unterbrochenen Schnitt hergestellt
werden können.
-
Ausführliche Beschreibung
-
Schneidwerkzeugsystem
-
Allgemeine
Diamantdrehtechniken sind in der veröffentlichen PCT-Anmeldung
WO 00/48037 beschrieben.
Die Vorrichtungen, die in Verfahren und zur Herstellung optischer
Filme bzw. Folien oder anderer Filme verwendet werden, können
ein Fast-Tool-Servosystem aufweisen. Wie in
WO 00/48037 offenbart, ist ein Fast-Tool-Servosystem (FTS)
eine piezoelektrische (PZT-)Festkörpervorrichtung, bezeichnet
als PZT-Stapel, die die Position eines am PZT-Stapel befestigten
Schneidwerkzeug schnell anpaßt. Das FTS ermöglicht
eine hochpräzise und sehr schnelle Bewegung des Schneidwerkzeugs in
Richtungen innerhalb eines Koordinatensystems, wie unten näher
beschrieben.
-
1 ist
eine graphische Darstellung eines Schneidwerkzeugsystems 10 zur
Herstellung von Mikrostrukturen in einem Werkstück. Mikrostrukturen können
beliebige Strukturtypen, -formen und -abmessungen aufweisen, die
sich an, eingekerbt in oder vorstehend von der Oberfläche
eines Artikels befinden. Zum Beispiel können Mikrostrukturen,
die unter Verwendung des in der vorliegenden Beschreibung beschriebenen
Stellglieds und Systems erzeugt wurden, eine Teilung von 1000 Mikrometern,
eine Teilung von 100 Mikrometern, eine Teilung von 1 Mikrometer
oder auch eine sub- bzw. quasioptische Wellenlängenteilung
von etwa 200 Nanometern (nm) haben. Als Alternative kann die Teilung
für die Mikrostrukturen in weiteren Ausführungsformen
größer als 1000 Mikrometer sein, ungeachtet dessen,
wie sie geschnitten sind. Diese Abmessungen sind nur zu Zwecken
der Veranschaulichung vorgesehen, und Mikrostrukturen, die unter
Verwendung des in der vorliegenden Patentschrift beschriebenen Stellglieds und
Systems hergestellt wurden, können eine belie bige Abmessung
innerhalb des Bereichs haben, der unter Verwendung des Systems bearbeitet
werden kann.
-
Das
System 10 wird durch einen Computer 12 gesteuert.
Der Computer 12 hat zum Beispiel die folgenden Komponenten:
einen Speicher 14, der eine oder mehrere Anwendungen 16 speichert;
einen Sekundärspeicher 18, der eine nichtflüchtige
Informationsspeicherung ermöglicht; eine Eingabevorrichtung 20 zum
Empfangen von Information oder Befehlen; einen Prozessor 22 zur
Ausführung von Anwendungen, die im Speicher 16 oder
im Sekundärspeicher 18 gespeichert sind oder von
einer anderen Quelle empfangen werden, eine Anzeigevorrichtung 24 zur
Ausgabe einer optischen Informationsanzeige und eine Ausgabevorrichtung 26 zur
Informationsausgabe in anderen Formen, wie etwa Lautsprecher für
Toninformation oder einen Drucker für einen Ausdruck der
Information.
-
Das
Schneiden eines Werkstücks 54 wird von einer Werkzeugspitze 44 durchgeführt.
Ein Stellglied 38 steuert die Bewegung der Werkzeugspitze 44,
wenn das Werkstück 54 durch eine Antriebseinheit
mit Drehgeber 56 rotiert wird, wie etwa einen vom Computer 12 gesteuerten
Elektromotor. In diesem Beispiel ist das Werkstück 54 in
Form einer Rolle bzw. Walze gezeigt; es kann jedoch auch in einer ebenen
Form ausgeführt sein. Beliebige bearbeitbare Materialien
könnten verwendet werden; zum Beispiel kann das Werkstück
mit Aluminium, Nickel, Kupfer, Messing, Stahl oder Kunststoffen
(z. B. Acrylharzderivaten) ausgeführt werden. Das zu verwendende
besondere Material kann zum Beispiel von einer besonderen gewünschten
Anwendung abhängen, wie etwa verschiedene unter Verwendung
des bearbeiteten Werkstücks hergestellte Filme. Das Stellglied 38 und
die unten beschriebenen Stellglieder können zum Beispiel
mit nichtrostendem Stahl oder anderen Materialien ausgeführt
werden.
-
Das
Stellglied 38 ist abnehmbar mit einem Werkzeughalter 36 verbunden,
der sich seinerseits an einer Führung 32 befindet.
Der Werkzeughalter 36 und das Stellglied 38 sind
an der Führung 32 dafür konfiguriert,
sich sowohl in eine X-Richtung als auch in eine Z-Richtung zu bewegen,
wie durch die Pfeile 40 und 42 gezeigt. Der Computer 12 ist über
einen oder mehrere Verstärker 30 in elektrischer
Verbindung mit dem Werk zeughalter 36 und dem Stellglied 38.
Wenn der Computer 12 als Steuereinrichtung dient, steuert
er die Bewegung des Werkzeughalters 36 entlang der Führung 32 und
die Bewegung der Werkzeugspitze 44 über das Stellglied 38 zur
Bearbeitung des Werkstücks 54. Wenn ein Stellglied
mehrere PZT-Stapel hat, kann es separate Verstärker verwenden,
um jeden PZT-Stapel, der zur unabhängigen Bewegungssteuerung
der an den Stapeln befestigen Werkzeugspitze verwendet wird, unabhängig
zu steuern. Der Computer 12 kann einen Funktionsgeber 28 benutzen,
um das Stellglied 38 mit Wellenlängen zu versorgen,
um verschiedene Mikrostrukturen in das Werkstück 54 einzuarbeiten,
wie unten näher erläutert.
-
Die
Bearbeitung des Werkstücks 54 erfolgt durch koordinierte
Bewegungen verschiedener Komponenten. Insbesondere kann das vom
Computer 12 gesteuerte System über die Bewegung
des Werkzeughalters 36 die Bewegung des Stellglieds 38 koordinieren
und steuern, zusammen mit der Bewegung des Werkstücks in
der C-Richtung und der Bewegung der Werkzeugspitze 44 in
einer oder mehreren der folgenden Richtungen, nämlich der
X-Richtung, der Y-Richtung, und der Z-Richtung, deren Koordinaten
unten erläutert werden. Das System bewegt wie üblich
den Werkzeughalter 36 in einer gleichbleibenden Geschwindigkeit
in die Z-Richtung, obgleich auch eine wechselnde Geschwindigkeit
verwendet werden kann. Die Bewegungen des Werkzeughalters 36 und
der Werkzeugspitze 44 sind wie üblich auf die
Bewegung des Werkstücks 54 in die C-Richtung abgestimmt
(Rotationsbewegung, wie durch Linie 53 dargestellt). Jede
dieser Bewegungen kann gesteuert werden, wobei zum Beispiel numerische
Steuertechniken oder eine numerische Steuereinrichtung (NC), die
als Software, Hardware oder eine Kombination daraus im Computer 12 ausgeführt ist,
verwendet werden.
-
Das
Schneiden des Werkstücks kann einen ununterbrochenen und
einen unterbrochenen Schneidbewegungsvorgang aufweisen. Bei einem Werkstück
in Walzenform, kann das Schneiden ein wendelartiges Schneiden (mitunter
als Gewindeschneiden bezeichnet) oder einzelne Kreise um das Werkstück
herum aufweisen. Bei einem Werkstück in ebener Form kann
das Schneiden ein spiralartiges Schneiden oder einzelne Kreise am
oder um das Werkstück herum aufweisen. Ein X-Schnitt kann auch
verwendet werden, wobei es sich um ein fast gerades Schnittformat
handelt, wo sich die Diamantwerkzeugspitze quer in das Werkstück
hinein und aus ihm heraus traversieren kann, aber der Gesamtbewebungsvorgang
des Werkzeughalters geradlinig ist. Das Schneiden kann auch eine
Kombination aus diesen Typen von Bewegungen aufweisen.
-
Nachdem
das Werkstück 54 bearbeitet worden ist, kann es
verwendet werden, um Filme mit den entsprechenden Mikrostrukturen
zur Verwendung in einer Vielfalt von Anwendungen herzustellen. Beispiele
für solche Filme sind u. a. optische Filme bzw. Folien,
Reibungskontrollfilme bzw. -folien und Mikrobefestigungsmittel oder
andere mechanische mikrostrukturierte Komponenten. Die Filme werden
wie üblich unter Verwendung eines Beschichtungsverfahrens
hergestellt, bei dem ein Polymermaterial in einem viskosen Zustand
auf das Werkstück aufgebracht wird, zumindest teilweise
aushärten kann und dann entfernt wird. Der aus dem ausgehärteten
Polymermaterial bestehende Film hat im wesentlichen die Strukturen,
die denen des Werkstücks entgegengesetzt sind. Zum Beispiel
führt eine Vertiefung im Werkstück zu einem Vorsprung
beim resultierenden Film. Nachdem das Werkstück 54 bearbeitet
worden ist, kann es auch verwendet werden, um weitere Artikel mit
getrennten Elementen oder Mikrostrukturen herzustellen, die denjenigen
im Werkzeug entsprechen.
-
Eine
Kühlflüssigkeit 46 wird verwendet, um die
Temperatur des Werkzeughalters 36 und des Stellglieds 38 mit
Hilfe der Leitungen 48 und 50 zu steuern. Eine
Temperatursteuereinheit 52 kann eine im wesentlichen gleichbleibende
Temperatur der Kühlflüssigkeit aufrechterhalten,
wenn diese durch den Werkzeughalter 36 und das Stellglied 38 in
Zirkulation versetzt wird. Die Temperatursteuereinheit 54 kann
mit einer beliebigen Vorrichtung zur Bereitstellung der Temperatursteuerung
einer Flüssigkeit ausgestattet sein. Die Kühlflüssigkeit
kann mit einem Ölerzeugnis, zum Beispiel einem dünnflüssigen Öl, ausgeführt
sein. Die Temperatursteuereinheit 52 und ein Kühlflüssigkeitsbehälter 46 können
Pumpen aufweisen, um die Flüssigkeit durch den Werkzeughalter 36 und
das Stellglied 38 zirkulieren zu lassen, und sie weisen
wie üblich auch ein Kühlsystem auf, um Hitze von
der Flüssigkeit abzuleiten, um diese auf einer im wesentlichen
gleichbleibenden Temperatur zu halten. Kühl- und Pumpsysteme,
die eine Flüssigkeit zirkulieren lassen und ihre Temperatursteuerung
ermöglichen, sind in Fachkreisen bekannt. In bestimmten Ausführungsformen
kann die Kühlflüssigkeit auch auf das Werkstück 54 aufgebracht
werden, um eine im wesentlichen gleichbleibende Oberflächentemperatur
des zu bearbeitenden Materials im Werkstück aufrechtzuerhalten.
-
2 ist
eine graphische Darstellung, die ein Koordinatensystem für
ein Schneidwerkzeug veranschaulicht, wie etwa für das System 10.
Das Koordinatensystem ist als Bewegung der Werkzeugspitze 62 in
bezug auf ein Werkstück 64 gezeigt. Die Werkzeugspitze 62 kann
der Werkzeugspitze 44 entsprechen und ist wie üblich
an einem Träger 60 befestigt, der an einem Stellglied
befestigt ist. Das Koordinatensystem weist in dieser exemplarischen
Ausführungsform eine X-Richtung 66, eine Y-Richtung 68 und
eine Z-Richtung 70 auf. Die X-Richtung bedeutet eine Bewegung
in einer Richtung, die zum Werkstück 64 im wesentlichen
senkrecht verläuft. Die Y-Richtung 68 bedeutet
eine Bewegung in einer Richtung quer über das Werkstück 64,
wie etwa in einer Richtung, die im wesentlichen parallel zu einer
Rotationsebene des Werkstücks 64 ist. Die Z-Richtung
bedeutet eine Bewegung in einer Richtung seitlich entlang des Werkstücks 64,
wie etwa in einer Richtung, die im wesentlichen parallel zu der
Rotationsachse des Werkstücks 64 ist. Die Rotation
des Werkstücks ist als C-Richtung bezeichnet, wie auch
in 1 gezeigt. Wenn das Werkstück in einer
ebenen Form im Gegensatz zu einer Walzenform ausgeführt
ist, dann bezeichnen die Y-Richtung und die Z-Richtung eine Bewegung
in rechtwinklig zueinander verlaufenden Richtungen über
das Werkstück in Richtungen, die im wesentlichen senkrecht
zur X-Richtung sind. Ein Werkstück in ebener Form kann
zum Beispiel eine rotierende Scheibe oder eine beliebige andere
Konfiguration eines ebenen Materials aufweisen.
-
Das
System 10 kann zur hochpräzisen, sehr schnellen
Bearbeitung verwendet werden. Dieser Bearbeitungstyp muß eine Vielfalt
von Parametern berücksichtigen, wie etwa die koordinierten
Geschwindigkeiten der Komponenten und das Werkstückmaterial.
Er muß zum Beispiel wie üblich die spezifische
Energie für ein vorgegebenes zu bearbeitendes Metallvolumen
zusammen mit der Wärmebeständigkeit und den Eigenschaften
des Werkstückmaterials in Betracht ziehen. Die Bearbeitung
betreffenden Schneidparameter sind in den folgenden Dokumenten beschrieben: Machining
Data Handbook, Library of Congress Katalogkarten-Nr. 66-60051, zweite
Auflage (1972); Edward Trent und Paul Wright, Metal
Cutting, vierte Auflage, Butterworth-Heinemann, ISBN 0-7506-7069-X
(2000); Zhang Jin-Hua, Theory and Technique of
Precision Cutting, Pergamon Press, ISBN 0-08-035891-8 (1991);
und M. K. Krueger et al., New Technology in Metalworking
Fluids and Grinding Wheels Achieves Tenfold Improvement in Grinding
Performance, Coolant/Lubricants for Metal Cutting and Grinding Conference,
Chicago, Illinois, USA, 7. Juni 2000.
-
PZT-Stapel, Werkzeugspitzenträger
und Werkzeugspitze
-
3 ist
eine graphische Darstellung eines exemplarischen PZT-Stapels
72 zur
Verwendung in einem Schneidwerkzeug. Ein PZT-Stapel wird verwendet,
um eine Bewegung einer mit ihm verbundenen Werkzeugspitze zu bewirken,
und wirkt entsprechend dem PZT-Effekt, der dem Fachmann bekannt ist.
Beim PZT-Effekt bewirkt ein elektrisches Feld, das an bestimmte
Materialtypen angelegt wird, deren Ausdehnung entlang einer Achse
und deren Zusammenziehung entlang einer anderen Achse. Ein PZT-Stapel
weist wie üblich mehrere Materialien
74,
76 und
78 auf,
die in einem Gehäuse
84 eingeschlossen und auf
einer Grundplatte
86 montiert sind. Die Materialien in
dieser exemplarischen Ausführungsform sind mit einem Keramikmaterial
ausgeführt, das dem PZT-Effekt unterliegt. Die drei Scheiben
74,
76, und
78 sind
nur zu Beispielzwecken gezeigt, und es können eine beliebige
Anzahl von Scheiben oder anderen Materialien und ein beliebiger
Typ oder eine beliebige Form von ihnen verwendet werden, zum Beispiel
auf der Grundlage der Anforderungen besonderer Ausführungsformen.
Ein Pfosten
88 ist an den Scheiben befestigt und steht
vom Gehäuse
84 vor. Die Scheiben können
mit einem beliebigen PZT-Material ausgeführt sein, wie
etwa zum Beispiel einem Bariumtitanat-, Bleizirconat- oder Bleititanatmaterial,
das gemischt, gepreßt, basiert und gesintert ist. Ein solches
PZT-Material ist lieferbar von Kinetic Ceramics, Inc., 26240 Industrial
Blvd., Hayward,
CA 94545 ,
USA. Die Scheiben können zum Beispiel auch mit einem magnetostriktiven
Material ausgeführt werden.
-
Elektrische
Verbindungen mit den Scheiben 74, 76 und 78,
wie durch die Linien 80 und 82 dargestellt, stellen
elektrische Felder für sie bereit, um eine Bewegung des
Pfostens 88 zu bewirken. Aufgrund des PZT-Effekts und auf
der Grundlage des Typs des angelegten elektrischen Feldes kann eine
präzise und kleine Bewegung des Pfostens 88, wie
etwa eine Bewegung innerhalb einiger Mikrometer, ausgeführt werden.
Außerdem kann das Ende des PZT-Stapels 72 mit
dem Pfosten 88 gegen eine oder mehrere Tellerfedern montiert
sein, die eine Vorspannung des PZT-Stapels bewirken. Die Tellerfedern
haben eine gewisse Flexibilität, um eine Bewegung des Pfostens 88 und
einer daran befestigten Werkzeugspitze zu ermöglichen.
-
4A bis 4D sind
Ansichten eines exemplarischen Werkzeugspitzenträgers 90,
der am Pfosten 88 des PZT-Stapels zur Steuerung durch ein Stellglied
montiert werden würde, wie unten erläutert. 4A ist
eine perspektivische Ansicht des Werkzeugspitzenträgers 90. 4B ist
eine Vorderansicht des Werkzeugspitzenträgers 90. 4C ist
eine Seitenansicht des Werkzeugspitzenträgers 90. 4D ist
eine Draufsicht des Werkzeugspitzenträgers 90.
-
Wie
in 4A bis 4D gezeigt,
weist der Werkzeugspitzenträger 90 eine ebene
Rückfläche 92, eine abgeschrägte
Stirnfläche 94 und eine vorstehende Fläche 98 mit
abgewinkelten oder abgeschrägten Seiten auf. Eine Öffnung 96 ermöglicht
die Montage des Werkzeugspitzenträgers 90 an einem Pfosten
eines PZT-Stapels. Die abgeschrägte Fläche 98 würde
zur Montage einer Werkzeugspitze zur Bearbeitung eines Werkstücks
verwendet werden. In dieser exemplarischen Ausführungsform
weist der Werkzeugspitzenträger 90 eine ebene
Fläche auf, um seine Montagestabilität durch Bereitstellung
von mehr Flächenbereichskontakt zu erhöhen, wenn
er an einem PZT-Stapel montiert ist, und er weist die abgeschrägten
Flächen auf, um seine Masse zu reduzieren. Der Werkzeugspitzenträger 90 würde
am Pfosten 88 des PZT-Stapels durch einen Klebstoff, Hartlöten,
Weichlöten, ein Befestigungsmittel, wie etwa einen Bolzen
bzw. eine Schraube, oder auf andere Art und Weise montiert werden.
-
Weitere
Konfigurationen des Werkzeugspitzenträgers sind möglich,
zum Beispiel auf der Grundlage der Anforderungen einer bestimmten
Ausführungsform. Die Bezeichnung "Werkzeugspitzenträger"
soll jeden Strukturtyp zur Verwendung beim Halten einer Werkzeugspitze
zur Bearbeitung eines Werkstücks einschließen.
Der Werkzeugspitzenträger 90 kann zum Beispiel
mit einem oder mehreren der folgenden Materialien ausgeführt
sein: Sintercarbid-, Siliciumnitrid-, Siliciumcarbid-, Stahl-, Titanium-, Diamant-
oder synthetisches Diamantmaterial. Das Material für den
Werkzeugspitzenträger 90 ist vorzugsweise steif
und hat eine geringe Masse.
-
5A bis 5D sind
Ansichten einer exemplarischen Werkzeugspitze 100, die
an der Fläche 98 des Werkzeugspitzenträgers 90 befestigt
werden würde, wie etwa durch einen Klebstoff, Hartlöten, Weichlöten
oder auf andere Art und Weise montiert. 5A ist
eine perspektivische Ansicht der Werkzeugspitze 100. 5B ist
eine Vorderansicht der Werkzeugspitze 100. 5C ist
eine Unteransicht der Werkzeugspitze 100. 5D ist
eine Seitenansicht der Werkzeugspitze 100. Wie in 5A bis 5D gezeigt,
weist die Werkzeugspitze 100 die Seiten 104, abgeschrägte
und abgewinkelte Stirnflächen 106 und eine Bodenfläche 102 zu
ihrer Befestigung an der Fläche 98 des Werkzeugspitzenträgers 90 auf.
Der vordere Abschnitt 105 der Werkzeugspitze 100 wird
zur Bearbeitung eines Werkstücks unter Steuerung eines
Stellglieds verwendet. Die Werkzeugspitze 90 kann zum Beispiel
mit einem Diamantkörper ausgeführt sein.
-
Schnittunterbrechendes FTS-Stellglied
-
Ein
schnittunterbrechendes FTS-Stellglied kann verwendet werden, um
kleine Mikrostrukturen herzustellen, wenn die Werkzeugspitze während
des Schneidens in unterbrochenem Kontakt mit dem Werkstück
ist, wodurch nicht aneinander angren zende Mikrostrukturen hergestellt
werden. Diese Merkmale können verwendet werden, um folgendes
herzustellen: Lichtleiterfilme, Mikrofluidstrukturen, segmentierte
Klebstoffe, Schleifmittelartikel, optische Diffusoren, kontrastreiche
optische Bildschirme, lichtumleitende Filme, Entspiegelungsstrukturen,
Lichtmisch- und Dekorfilme.
-
Das
Stellglied kann weitere Vorteile bieten. Zum Beispiel können
die Merkmale so klein hergestellt werden, daß sie für
das blanke Auge unsichtbar sind. Durch diesen Merkmalstyp ist es
nicht mehr notwendig, daß zum Beispiel eine Diffusorschicht
die Lichtextraktionsmerkmale in einer Flüssigkristallanzeigeeinheit
ausblendet. Die Verwendung einer gekreuzten BEF-Folie über
dem Lichtleiter bewirkt auch eine Mischung, die in Kombination mit
diesen kleinen Merkmalen die Notwendigkeit einer Diffusorschicht beseitigen
würde. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Extraktionsmerkmale
linear oder kreisförmig hergestellt werden können.
Im linearen Fall können sie zum Beispiel mit herkömmlichen
Kaltkatodenleuchtstoffröhren(CCFL-)Lichtquellen verwendet
werden. Im kreisförmigen Fall können die Merkmale
an kreisförmigen Bögen mit einem Mittelpunkt ausgeführt
sein, der sich dort befindet, wo normalerweise eine LED positioniert
wäre. Noch ein weiterer Vorteil betrifft die Programmierung
und den Strukturentwurf, bei denen nicht alle Merkmale entlang einer
einzelnen Linie liegen müssen wie bei einer ununterbrochenen
Vertiefung. Die Flächendichte der Lichtextraktionsmerkmale
kann durch Anordnung eines Zwischenraums entlang der Merkmale, eines
Zwischenraums im rechten Winkel zu den Merkmalen und der Tiefe deterministisch
angepaßt werden. Weiterhin kann der Lichtextraktionswinkel
bevorzugt durch Auswahl des Winkels und der Halbwinkel der geschnittenen
Flächen hergestellt werden.
-
Die
Tiefe der Merkmale kann zum Beispiel im Bereich von 0 bis 35 Mikrometern
liegen, und wie nunmehr üblich von 0 bis 15 Mikrometern.
Bei einem Walzenwerkstück wird die Länge eines
beliebigen Einzelmerkmals durch die Umdrehungen pro Minute (U/min)
des rotierenden Werkstücks entlang der C-Achse und die
Antwortzeit des FTS gesteuert. Die Merkmallänge kann zum
Beispiel von 1 bis 200 Mikrometern gesteuert werden. Bei einem wendelartigen
Schnitt kann auch der orthogonal zu den Vertiefungen verlaufende
Zwischenraum (Teilung) von 1 bis 1000 Mikrometern programmiert werden.
Wie unten veranschaulicht, tritt die Werkzeugspitze, die die Merkmale
herstellt, schräg in das Material ein und aus diesem aus,
wobei Strukturen erzeugt werden, deren Form gesteuert wird durch:
die U/min, die Antwortzeit des FTS, die Auflösung des Spindeldrehgebers
und den Freiwinkel der Diamantwerkzeugspitze (zum Beispiel maximal
45 Grad). Der Freiwinkel kann einen Spanwinkel der Werkzeugspitze
aufweisen. Die Merkmale können einen beliebigen Typ einer dreidimensionalen
Form haben, wie etwa zum Beispiel symmetrisch, asymmetrisch, halbkugelförmig, prismatisch
und halbelliptisch.
-
Die 6A bis 6H sind
Ansichten eines exemplarischen Stellglieds 110 zur Verwendung
bei der Implementierung eines schnittunterbrechenden Mikroreplikationssystems
und -verfahrens. Die Bezeichnung "Stellglied" bezeichnet einen beliebigen Stellgliedtyp
oder eine andere Vorrichtung, die eine Bewegung einer Werkzeugspitze
im wesentlichen in einer X-Richtung zur Verwendung bei der Bearbeitung
eines Werkstücks bewirkt. 6A ist
eine geschnittene Draufsicht des Stellglieds 110. 6B ist eine
geschnittene Vorderansicht, die die Plazierung eines PZT-Stapels
im Stellglied 110 veranschaulicht. 6C ist
eine Vorderansicht des Stellglieds 110. 6D ist
eine Rückansicht des Stellglieds 110. 6E ist
eine Draufsicht des Stellglieds 110. 6F und 6G sind
Seitenansichten des Stellglieds 110. 6H ist
eine perspektivische Ansicht des Stellglieds 110. Einige
Einzelheiten des Stellglieds 110 in 6C bis 6H sind
aus Gründen der Klarheit entfernt worden.
-
Wie
in 6A bis 6H gezeigt,
weist das Stellglied 110 einen Hauptkörper 112 auf,
der einen X-Richtungs-PZT-Stapel 118 halten kann. Der PZT-Stapel
ist an einem Werkzeugspitzenträger mit einer Werkzeugspitze 136 zur
Verwendung bei der Bewegung in einer X-Richtung angebracht, wie
durch den Pfeil 138 gezeigt. Der PZT-Stapel 118 kann
mit dem in 3 gezeigten exemplarischen PZT-Stapel ausgeführt
sein. Die Werkzeugspitze an einem Träger 136 kann
mit dem in 4A bis 4D zeigten Werkzeugspitzenträger
und der in 5A bis 5D gezeigten Werkzeugspitze
ausgeführt sein. Der Hauptkörper 112 weist
auch zwei Öffnungen 114 und 115 zur Verwendung
bei der lösbaren Befestigung am Werkzeughalter 36,
wie etwa mittels Schrauben bzw. Bolzen, auf, zur Bearbeitung des Werkstücks 54 unter
Steuerung des Computers 12.
-
Der
PZT-Stapel 118 ist fest im Hauptkörper 112 montiert,
zugunsten der Stabilität, die für eine präzise
gesteuerte Bewegung der Werkzeugspitze 136 erforderlich
ist. Der Diamant an der Werkzeugspitze 136 ist in diesem
Beispiel ein abgesetzter 45-Grad-Diamant mit einer vertikalen Fläche,
obgleich andere Diamantentypen verwendet werden können.
Zum Beispiel kann die Werkzeugspitze ein V-förmiges (symmetrisches
oder asymmetrisches) Rund- oder Flachwerkzeug oder ein Werkzeug
für gekrümmte Flächen sein. Da die unterbrochenen (nicht
aneinander angrenzenden) Merkmale an einer Diamantdrehmaschine geschnitten
werden, können sie linear oder kreisförmig sein.
Da die Merkmale nicht durchgehend sind, ist es weiterhin auch nicht erforderlich,
daß sie sich entlang einer einzelnen Linie oder eines Kreises
befinden. Sie können mit einer Pseudozufälligkeit
verteilt werden.
-
Der
PZT-Stapel 118 ist durch Schienen, wie etwa die Schienen 120 und 122,
im Hauptkörper 112 befestigt. Der PZT-Stapel 118 kann
vorzugsweise vom Hauptkörper durch Gleiten entlang der
Schienen entfernt werden und kann durch Schrauben bzw. Bolzen oder
andere Befestigungsmittel an der richtigen Stelle im Hauptkörper 112 befestigt
werden. Der PZT-Stapel 118 weist eine elektrische Verbindung 130 zum
Empfang von Signalen vom Computer 12 auf. Die Endkappe
des PZT-Stapels 118 weist einen Anschluß 128 zum
Empfang von Kühlflüssigkeit, wie etwa Öl,
aus dem Behälter 46 auf, läßt
es um den PZT-Stapel zirkulieren und führt das Öl über
den Anschluß 132 in den Behälter 46 zurück,
zur Aufrechterhaltung seiner Temperatursteuerung. Der Hauptkörper 112 kann
passende Kanäle aufweisen, um die Kühlflüssigkeit
um den PZT-Stapel 118 herum zu leiten, und die Kühlflüssigkeit
kann durch eine Pumpe oder andere Vorrichtung in der Temperatursteuereinheit 52 in
Zirkulation versetzt werden.
-
6B ist
eine geschnittene Vorderansicht, die die Plazierung des PZT-Stapels 118 im
Hauptkörper 112 veranschaulicht, wobei die Endkappen
des PZT-Stapels 118 nicht gezeigt sind. Der Hauptkörper 112 kann
in jeder Öffnung mehrere Schienen aufweisen, um die PZT-Stapel
fest an der richtigen Stelle zu halten. Zum Beispiel ist der PZT-Stapel 118 von
den Schienen 120, 122, 142 und 144 umgeben,
um ihn fest an der richtigen Stelle zu halten, wenn er im Hauptkörper 112 montiert
ist. Die am PZT-Stapel 118 befestigte Endkappe kann mehrere
Schrauben bzw. Bolzen oder andere Befestigungsmittel aufnehmen, um
den PZT-Stapel an einer oder mehreren der Schienen 120, 122, 142 und 144 fest
anzuordnen, und die Endkappe kann auch eine Abdichtung des PZT-Stapels 118 im
Hauptkörper 112 bewirken, zur Verwendung bei der
Zirkulation der Kühlflüssigkeit um diesen herum.
Der PZT-Stapel kann einen oder mehrere Tellerfedern aufweisen, die
zwischen den Stapeln und dem Werkzeugspitzenträger 136 positioniert
sind, um diese vorzuspannen.
-
7A bis 7C veranschaulichen
eine schnittunterbrechende Bearbeitung eines Werkstücks
unter Verwendung des oben beschriebenen exemplarischen Stellglieds
und Systems. Insbesondere veranschaulichen 7A bis 7C die
Verwendung variabler Schrägeintritts- und -austrittswinkel
einer Werkzeugspitze, und diese Winkel können zum Beispiel
unter Verwendung der oben angegebenen Parameter gesteuert werden.
Jede von 7A bis 7C veranschaulicht
Beispiele des Werkstücks vor und nach dem Schneiden mit
variablen Schrägeintritts- und -austrittswinkeln. Der variable Schrägeintrittswinkel
ist mit λIN bezeichnet, und der variable
Schrägaustrittswinkel ist mit λOUT bezeichnet. Die
Bezeichnungen Schrägeintritts- und -austrittswinkel bezeichnen
jeweils einen Winkel, mit dem eine Werkzeugspitze während
der Bearbeitung in ein Werkstück eindringt bzw. ein Werkstück
verläßt. Die Schrägeintritts- und -austrittswinkel
müssen nicht unbedingt den Winkeln der Werkzeugspitze entsprechen,
wenn diese sich durch ein Werkstück bewegt; sie bezeichnen
eher die Winkel, mit denen die Werkzeugspitze das Werkstück
berührt und verläßt. In 7A bis 7C können
die Werkzeugspitzen und die Werkstücke zum Beispiel mit
dem oben beschrieben System und den oben beschriebenen Komponenten
ausgeführt sein.
-
7A ist
eine graphische Darstellung und veranschaulicht einen unterbrochenen
Schnitt 150 mit im wesentlichen gleichen Schrägeintritts-
und -austrittswinkeln in ein Werkstück 153 hinein
bzw. aus ihm heraus. Wie in 7A gezeigt,
ist ein Schrägeintrittswinkel 152 einer Werkzeugspitze 151 in
ein Werkstück 153 im wesentlichen gleich einem
Schrägaustrittswinkel 154 (λIN ≈ λOUT). Die Verweildauer der Werkzeugspitze 151 im
Werkstück 153 bestimmt eine Länge L (156)
der resultierenden Mikrostruktur. Die Verwendung von im wesentlichen
gleichen Schrägeintritts- und -austrittswinkeln führt
zu einer im wesentlichen symmetrischen Mikrostruktur 158,
die durch Materialabtrag vom Werkstück durch die Werkzeugspitze
erzeugt wird. Dieses Verfahren kann wiederholt werden, um zusätzliche
Mikrostrukturen herzustellen, wie etwa die Mikrostruktur 160,
die durch eine Distanz D (162) getrennt sind.
-
7B ist
eine graphische Darstellung und veranschaulicht einen unterbrochenen
Schnitt mit einem Schrägeintrittswinkel in ein Werkstück 167,
der kleiner ist als ein Schrägaustrittswinkel aus ihm heraus.
Wie in 7B gezeigt, ist ein Schrägeintrittswinkel 166 einer
Werkzeugspitze 165 in ein Werkstück 167 kleiner
als ein Schrägaustrittswinkel 168 (λIN < λOUT). Die Verweilzeit der Werkzeugspitze 165 im Werkstück 167 bestimmt
eine Länge 170 der resultierenden Mikrostruktur.
Die Verwendung eines Schrägeintrittswinkel, der kleiner
ist als ein Schrägaustrittswinkel, führt zu einer
asymmetrischen Mikrostruktur, zum Beispiel zu der Mikrostruktur 172,
die durch Materialabtrag vom Werkstück durch die Werkzeugspitze
erzeugt wird. Dieses Verfahren kann wiederholt werden, um zusätzliche
Mikrostrukturen herzustellen, wie etwa die Mikrostruktur 174,
die durch eine Distanz 176 getrennt sind.
-
7C ist
eine graphische Darstellung und veranschaulicht einen unterbrochenen
Schnitt mit einem Schrägeintrittswinkel in ein Werkstück 181,
der größer ist als ein Schrägaustrittswinkel
aus diesem. Wie in 7C gezeigt ist ein Schrägeintrittswinkel 180 einer
Werkzeugspitze 179 in ein Werkstück 181 größer
als ein Schrägaustrittswinkel 182 (λIN > λOUT). Die Verweilzeit der Werkzeugspitze 179 im
Werkstück 181 bestimmt eine Länge 184 der
resultierenden Mikrostruktur. Die Verwendung eines Schrägeintrittswinkels,
der größer ist als ein Schrägaustrittswinkel
führt zu einer asymmetrischen Mikrostruktur, zum Beispiel
zu der Mikrostruktur 186, die durch Materialabtrag vom
Werkstück durch die Werkzeugspitze erzeugt wird. Dieses
Verfahren kann wiederholt werden, um durch eine Distanz 190 getrennte
zusätzliche Mikrostrukturen, wie etwa die Mikrostruktur 188, herzustellen.
-
In 7A bis 7C sind
die gestrichelten Linien für die Schrägeintritts-
und -austrittswinkel (152, 154, 166, 168, 180, 182)
dafür vorgesehen, Beispiele von Winkeln, in denen eine
Werkzeugspitze in ein Werkstück eintritt und es verläßt,
andeutungsweise zu veranschaulichen. Während des Schneidens
des Werkstücks kann sich die Werkzeugspitze in irgendeinem
bestimmten Typ von Bahn bewegen, zum Beispiel in einer linearen
Bahn, einer gekrümmten Bahn, einer Bahn, die eine Kombination von
linearen und gekrümmten Bewegungsvorgängen aufweist,
oder einer Bahn, die durch eine bestimmte Funktion definiert ist.
-
8 ist
eine graphische Darstellung, die Mikrostrukturen andeutungsweise
veranschaulicht, die unter Verwendung des Schneidwerkzeugsystems mit
einem schnittunterbrechenden FTS-Stellglied hergestellt werden können,
um ein bearbeitetes Werkstück herzustellen, und wobei dieses
Werkstück dafür verwendet wird, einen strukturierten
Film herzustellen. Wie in 8 gezeigt,
weist ein Artikel 200 eine obere Fläche 202 und
eine untere Fläche 204 auf. Die obere Fläche 202 weist
schnittunterbrechende vorstehende Mikrostrukturen auf, wie etwa
die Strukturen 206, 208 und 210, und
diese Mikrostrukturen können unter Verwendung des oben
beschriebenen Stellglieds und Systems hergestellt werden, um ein
Werkstück zu bearbeiten und dieses Werkstück dann
zu verwenden, um unter Verwendung einer Beschichtungstechnik einen
Film bzw. eine Folie oder einen Artikel herzustellen. In diesem
Beispiel hat jede Mikrostruktur eine Länge L, die nacheinander
geschnittenen Mikrostrukturen sind durch eine Distanz D getrennt,
und benachbarte Mikro strukturen sind durch eine Teilung P getrennt.
Beispiele einer Implementierung dieser Parameter sind oben gegeben.
-
Obgleich
die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer exemplarischen
Ausführungsform beschrieben worden ist, versteht es sich,
daß viele Modifikationen dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich
sind, und diese Anmeldung ist dazu bestimmt, jegliche Adaptionen
oder Variationen derselben einzuschließen. Zum Beispiel
können verschiedene Materialtypen für den Werkzeughalter,
das Stellglied und die Werkzeugspitze und Konfigurationen dieser
Komponenten verwendet werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung
abzuweichen. Diese Erfindung wird nur durch die Ansprüche
und ihre Äquivalente eingeschränkt.
-
Zusammenfassung
-
Eine
Schneidwerkzeuganordnung mit einem Werkzeughalter, der zu einer
seitlichen Bewegung entlang eines zu schneidenden Werkstücks
fähig ist, und einem Stellglied mit einer Werkzeugspitze.
Das Stellglied bewirkt eine Steuerung der Bewegung der Werkzeugspitze
in einer X-Richtung in das Werkstück hinein und aus ihm
heraus, um unterbrochene Mikrostrukturen in ihm herzustellen. Das
bearbeitete Werkstück kann verwendet werden, um mikrostrukturierte
Artikel herzustellen, wie etwa Filme bzw. Folien mit nicht aneinander
angrenzenden Mikrolinsen.
-
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
-
- - WO 00/48037 [0028, 0028]
- - CA 94545 [0039]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Machining
Data Handbook, Library of Congress Katalogkarten-Nr. 66-60051, zweite
Auflage (1972) [0038]
- - Edward Trent und Paul Wright, Metal Cutting, vierte Auflage,
Butterworth-Heinemann, ISBN 0-7506-7069-X (2000) [0038]
- - Zhang Jin-Hua, Theory and Technique of Precision Cutting,
Pergamon Press, ISBN 0-08-035891-8 (1991) [0038]
- - M. K. Krueger et al., New Technology in Metalworking Fluids
and Grinding Wheels Achieves Tenfold Improvement in Grinding Performance, Coolant/Lubricants
for Metal Cutting and Grinding Conference, Chicago, Illinois, USA,
7. Juni 2000 [0038]