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Diese Anmeldung beansprucht die Vorteile der vorläufigen
US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 62/556 735 , eingereicht am 11. September 2017, die hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich in die vorliegende Schrift aufgenommen wird.
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GEBIET
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Die vorliegende Technologie betrifft Verfahren zum Fertigen von Retroreflektorprismen mit polygonalen Öffnungen und entsprechende Vorrichtungen. Konkret betrifft diese Technologie das Verwenden von Mikromeißeltechniken zum Fertigen retroreflektierender Prismen mit polygonal geformten Öffnungen.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Mikroprismatische retroreflektierende Folien wurden mit abgestumpften Würfeln und rechtwinkligen vollständigen Würfeln (siehe bspw.
US-Patente Nr. 6 253 442, 7 156 527 und 3 689 346 ) hergestellt. Die abgestumpften Ausgestaltungen sind typischerweise weniger effizient als rechtwinklige vollständige Würfel und erfüllen damit nur kaum einige der neueren Standards der ASTM und andere internationale Vorgaben für retroreflektierende Folien.
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Die werkzeuggestützte Fertigung retroreflektierender Ausgestaltungen war durch Linearfräsen mittels einschneidiger Diamanten oder Flycutting sowohl für abgestumpfte als auch rechtwinklige Prismen beherrscht. Beim Flycutting-Prozess wird der Ansatz des einschneidigen Diamantwerkzeugs in eine Drückwerkzeugaufnahme wie bspw. eine Spindel eingespannt. Der einschneidige Diamant wird dann in einem linearen Muster durch ein Substrat geführt, während die Spindel rotiert, um die erforderliche Prismengeometrie anzufertigen (siehe bspw.
US-Patente Nr. 3 712 706 ). Anhand dieses Verfahrens werden in dem Substrat Schnitte von einer Seite des Substrats zur anderen in einem Abstand vorgenommen, der auf der gewünschten finalen Geometrie des Retroreflektors beruht. Die drei Prismafacetten werden durch Rotieren des Substrats ausgebildet, nachdem eine komplette Ausrichtung von Einkerbungen komplettiert ist. Bei Verwendung von Flycutting sind Abwandlungen der Prismengeometrie wegen der Beschränkungen der Flycutting-Einrichtung begrenzt. Herkömmliche Flycutting-Techniken sind nicht für die Fertigung der in dieser Schrift offenbarten retroreflektierenden Prismen geeignet.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein Verfahren zum Ausbilden eines retroreflektierenden Prismas in einem Substrat beinhaltet ein Einführen und Herausziehen eines einschneidigen Diamantwerkzeugs durch eine Oberfläche des Substrats bei gleichzeitigem Bewegen des einschneidigen Diamantwerkzeugs, des Substrats oder sowohl des einschneidigen Diamantwerkzeugs als auch des Substrats in einer Laufrichtung entlang wenigstens einer Achse, um in dem Substrat eine Facette zu erzeugen, die eine Facettenfläche aufweist, welche parallel zur Laufrichtung wenigstens eines von dem Einzeldiamantpunktwerkzeug oder dem Substrat verläuft. Die Facettenfläche weist einen Winkel auf, der durch eine Meißelschneide des einschneidigen Diamantwerkzeugs definiert wird. Das Einführen und Herausziehen wird an einer Vielzahl von Stellen auf dem Substrat wiederholt, um eine reihenförmige Anordnung retroreflektierender Mikrostrukturen auf der Oberfläche des Substrats auszubilden. Bei wenigstens einer von der reihenförmigen Anordnung retroreflektierender Mikrostrukturen handelt es sich um ein retroreflektierendes Prisma mit einer polygonalen herausgeragten Öffnung.
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Ein Verfahren zum Ausbilden eines retroreflektierenden Prismas in einem Substrat beinhaltet ein Bereitstellen eines eine Oberfläche aufweisenden Substrats. Eine reihenförmige Anordnung retroreflektierender Mikrostrukturen wird per Mikromeißeln in der Oberfläche des Substrats angefertigt. Bei wenigstens einer der retroreflektierenden Mikrostrukturen in der reihenförmigen Anordnung retroreflektierender Mikrostrukturen handelt es sich um ein retroreflektierendes Prisma mit einer polygonalen herausgeragten Öffnung.
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In einem nicht transitorischen computerlesbaren Medium sind Anweisungen zum Ausbilden eines retroreflektierenden Prismas in einem Substrat gespeichert, umfassend ausführbaren Code, der bei Ausführung durch einen Prozessor den Prozessor veranlasst, Schritte auszuführen, die ein Anweisen eines einschneidigen Diamantwerkzeugs umfassen, dass es durch eine Oberfläche des Substrats bei gleichzeitigem Bewegen des einschneidigen Diamantwerkzeugs, des Substrats oder sowohl des einschneidigen Diamantwerkzeugs als auch des Substrats in einer Laufrichtung entlang wenigstens einer Achse eingeführt und herausgezogen wird, um in dem Substrat eine Facette zu erzeugen, die eine Facettenfläche aufweist, welche parallel zur Laufrichtung wenigstens eines von dem Einzeldiamantpunktwerkzeug oder dem Substrat verläuft. Die Facettenfläche weist einen Winkel auf, der durch eine Meißelschneide des einschneidigen Diamantwerkzeugs definiert wird. Das einschneidige Diamantwerkzeug wird dazu angewiesen, das Einführen und Herausziehen an einer Vielzahl von Stellen auf dem Substrat zu wiederholen, um eine reihenförmige Anordnung retroreflektierender Mikrostrukturen auf der Oberfläche des Substrats auszubilden. Bei wenigstens einer der retroreflektierenden Mikrostrukturen in der reihenförmigen Anordnung retroreflektierender Mikrostrukturen handelt es sich um ein retroreflektierendes Prisma mit einer polygonalen herausgeragten Öffnung.
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Die vorliegende Technologie stellt vorteilhafterweise verbesserte Verfahren zum Ausbilden retroreflektierender Prismen bereit, die beim Fertigen retroreflektierender Folien und Ausstattungen mit polygonalen retroreflektierenden Prismen verwendet werden können. Bei dieser Technologie werden Mikromeißeltechniken zum Erzeugen der polygonalen Retroreflektoren verwendet, die eine vergrößerte Wirkfläche bereitstellen. Der Mikromeißelprozess ermöglicht das Erzeugen einer reihenförmigen Anordnung, die verschiedene Arten und Geometrien retroreflektierender Mikrostrukturen aufweist, einschließlich polygonaler Formen wie dreieckiger, rhomboider, rechtwinkliger, viereckiger, pentagonaler, hexagonaler oder oktogonaler Prismen, die nur als Beispiele dienen.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Blockschema einer Umgebung zum Ausbilden retroreflektierender Prismen in einem Substrat.
- 2 ist eine Darstellung eines typischen Einführ- und Herausziehwerkzeugwegs zum Mikromeißeln eines Substrats anhand eines Diamantwerkzeugs.
- 3 ist ein beispielhafter Hexagonalretroreflektor des Typs I, der unter Verwendung von Verfahren der vorliegenden Technologie ausgebildet werden kann.
- 4 ist ein beispielhafter Hexagonalretroreflektor des Typs II, der mit Strömungskanälen angeordnet ist und unter Verwendung von Verfahren der vorliegenden Technologie ausgebildet werden kann.
- 5 ist eine beispielhafte reihenförmige Anordnung hexagonaler retroreflektierender Prismen mit gleicher Rotation, die unter Verwendung von Verfahren der vorliegenden Technologie ausgebildet werden.
- 6 zeigt eine beispielhafte reihenförmige Anordnung rechtwinkliger retroreflektierender Prismen, die unter Verwendung von Verfahren der vorliegenden Technologie ausgebildet werden können.
- 7 zeigt eine beispielhafte reihenförmige Anordnung pentagonaler retroreflektierender Prismen, die unter Verwendung von Verfahren der vorliegenden Technologie ausgebildet werden können.
- 8 zeigt eine beispielhafte reihenförmige Anordnung quadratischer retroreflektierender Prismen, die innerhalb der reihenförmigen Anordnung mit variierenden Neigungswinkeln angeordnet sind und unter Verwendung von Verfahren der vorliegenden Technologie ausgebildet werden können.
- 9 zeigt eine beispielhafte gemischte reihenförmige Anordnung aus pentagonalen und abgestumpften dreieckigen retroreflektierender Prismen, die unter Verwendung von Verfahren der vorliegenden Technologie ausgebildet werden können.
- 10 zeigt eine beispielhafte gemischte reihenförmige Anordnung aus pentagonalen und unregelmäßigen hexagonalen retroreflektierender Prismen, die unter Verwendung von Verfahren der vorliegenden Technologie ausgebildet werden können.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Bezug nehmend auf 1 ist eine Umgebung 10 zum Ausbilden retroreflektierender Prismen in einem Substrat, das zum Fertigen retroreflektierender Ausstattungen und retroreflektierender Folien verwendet werden kann, mittels Diamantmeißeln dargestellt. Beim Diamantmikromeißeln (Diamond Micro Chiseling - DMC) handelt es sich um einen Prozess, bei dem eine mehrachsige Hochpräzisionsmaschine einen Diamant in ein Substrat sticht und daraus herauszieht, um Material zu entfernen, wie beschrieben in Brinksmeier et al., „Diamond Micro Chiseling of Large-Scale Retroreflective Arrays", Precision Engineering, 34(4):650-57, (2012), dessen Offenbarung hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich in diese Schrift aufgenommen wird. Das DMC stellt vorteilhafterweise ein Verfahren zum Erzeugen von Retroreflektorausstattungen bereit, die polygonale oder ähnlich geformte retroreflektierende Prismen beinhalten, die nicht anhand traditioneller Flycutting-Techniken hergestellt werden können. Das DMC stellt zudem eine erhöhte Flexibilität im Hinblick auf die Ausgestaltung von Retroreflektoren bereit. Das DMC ermöglicht die Herstellung polygonaler Retroreflektoren mit einem vergrößerten Wirkbereich, welche die verschiedenen internationalen Vorgaben für derartige Retroreflektoren erfüllen.
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Die Umgebung 10, um nochmals auf 1 Bezug zu nehmen, beinhaltet ein Diamantspanwerkzeug 12, das an einer Translationsmaschine 13, etwa einer fünfachsigen Translationsmaschine, befestigt ist, die mit einer Steuerrechenvorrichtung 16 gekoppelt ist; dabei kann die Umgebung 10 allerdings auch andere Arten und/oder Anzahlen von Vorrichtungen in anderen Kombinationen beinhalten. Das Diamantspanwerkzeug 12 kann zum Mikromeißeln eines Substrats 14 verwendet werden. In einem Beispiel ist die Translationsmaschine 13 mit der Steuerrechenvorrichtung 16 gekoppelt, sodass die Steuerrechenvorrichtung 16 zum Steuern der Position des Diamantspanwerkzeugs 12 verwendet werden kann. In einem anderen Beispiel kann das Substrat 14 derart mit einer Translationsmaschine kombiniert werden, dass das Substrat 14 entweder allein oder in Verbindung mit der Bewegung des Diamantspanwerkzeugs 12 bewegt werden kann, um die in dieser Schrift beschriebenen Verfahren durchzuführen. Die Translationsmaschine 13 ist dazu ausgelegt, den Diamant des Diamantspanwerkzeugs 12 anhand einer Vorschubgeschwindigkeit der Translationsmaschine 13 durch das Substrat 14 zu stechen und wieder herauszuziehen, wodurch der Diamant auf das Substrat 14 zu, dahindurch und von ihm weg bewegt wird. Die Translationsmaschine 13 ermöglicht des Weiteren zusätzliche Bewegungsachsen beim Einstechen und Herausziehen, das mithilfe der Vorschubgeschwindigkeit generiert wird. In einem Beispiel nutzt die Translationsmaschine 13 mehrere Achsen, um einen komplexeren Werkzeugweg bereitzustellen.
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In einem Beispiel ist das Diamantspanwerkzeug 12 spezifisch für den Mikromeißelprozess ausgestaltet, damit es in der Lage ist, maschinell spezifische Prismengeometrien zu fertigen. Dies verschafft eine höhere Robustheit des Diamantspanwerkzeugs 12 gegenüber den hohen Zerspankräften des Mikromeißelprozesses. In einem Beispiel ist der Diamant des Diamantspanwerkzeugs 12 dazu ausgestaltet, dass Überlagerungen mit anderen Prismen ausgeschlossen sind, die zuvor in dem Substrat 14 ausgebildet wurden, oder dass entgegengesetzte Formschrägenmerkmale als Teil des Mikromeißelprozesses einbezogen werden. In einem anderen Beispiel kann die Diamantausgestaltung des Diamantspanwerkzeugs 12 asymmetrisch sein.
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Als Beispiel kann die Spitze des Diamanten des Diamantspanwerkzeugs 12 mit flachen Seiten oder Radien versehen werden, um den Werkzeugverschleiß zu minimieren und die Haltbarkeit des Diamantspanwerkzeugs 12 zu erhöhen, und zwar mit wenig oder keiner Beeinträchtigung der Eigenschaften des retroreflektierenden Endprodukts.
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Das Substrat 14 wird aus Metallen ausgebildet, die mit maschineller Fertigung mittels einschneidiger Diamanten kompatibel sind. Dazu gehören, nur beispielhalber, Messing, Aluminium, Kupfer und phosphorreiches Nickel, obwohl auch andere Metalle oder andere Materialien für das Substrat 14 verwendet werden können. Herstellungsvariablen wie bspw. Vervielfältigungsabweichungen, Polymerschrumpfung und anderen Maß- und Formänderungen werden in die Geometrie der Ausgestaltung des retroreflektierenden Urprismas einkalkuliert. Bei der maschinellen Einarbeitung in das Substrat 14 müssen die Eigenschaften des Endprodukts hinsichtlich der Prismenausgestaltung kompensiert werden, da das finale Teil ein polymeres Optikelement ist, das mittels UV/EB-Verguss oder -Prägung ausgebildet wird. In einem Beispiel kann das Optikelement für eine schnelle Prototypentwicklung und Prüfung neuer retroreflektierender Ausgestaltungen in ein Polymersubstrat mikrogemeißelt werden, um ein Prüfen der Ausgestaltung ohne Vervielfältigung zu ermöglichen.
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In diesem Beispiel ist das Substrat 14 ein planes Substrat. In einem anderen Beispiel kann ein nicht planes Substrat für das Werkstück verwendet werden. Das Mikromeißeln kann beispielsweise an einem Werkstück mit sphärischem Krümmungshalbmesser oder Freiformoberfläche erfolgen, wobei das nicht flache Substrat mit den durch das Mikromeißeln erzeugten optischen Strukturen versehen werden kann.
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Die Steuerrechenvorrichtung 16 beinhaltet in diesem Beispiel einen oder mehrere Prozessoren 18, einen Speicher 20 und eine Kommunikationsschnittstelle 22, die anhand eines Busses 24 oder einer anderen Kommunikationsverbindung miteinander gekoppelt sind, wenngleich die Steuerrechenvorrichtung 16 in anderen Auslegungen auch andere Arten und/oder Anzahlen an Elementen beinhalten kann. Der bzw. die Prozessor(en) 18 der Steuerrechenvorrichtung 16 kann bzw. können programmierte Anweisungen, die im Speicher 20 gespeichert sind, für beliebig viele der in dieser Schrift beschriebenen und dargestellten Funktionen ausführen. Der bzw. die Prozessor(en) 18 der Steuerrechenvorrichtung 16 kann bzw. können einen oder mehrere CPUs oder Universalprozessoren mit einem oder mehreren Verarbeitungskernen, als Beispiel, beinhalten, wenngleich auch andere Prozessorarten verwendet werden können.
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Der Speicher 20 der Steuerrechenvorrichtung 16 speichert diese programmierten Anweisungen für einen oder mehrere Aspekte der vorliegenden Technologie, wie in dieser Schrift beschrieben und dargestellt, obwohl die programmierten Anweisungen insgesamt oder teilweise auch an anderen Orten gespeichert werden können. Für den Speicher 20 können viele verschiedene Arten von Speichervorrichtungen verwendet werden, wie bspw. Direktzugriffsspeicher (RAM), Lesespeicher (ROM), eine Festplatte, Festkörperlaufwerke, ein Flash-Speicher oder ein anderes computerlesbares Medium, das von einem magnetischen, optischen oder anderen Lese- und Schreibsystem ausgelesen und beschrieben wird, welches mit dem bzw. den Prozessor(en) 18 gekoppelt ist.
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Dementsprechend kann der Speicher 20 der Steuerrechenvorrichtung 16 ein(e) oder mehrere Anweisungen oder Programme speichern, die computerausführbare Anweisungen beinhalten können, die bei Ausführung durch die Steuerrechenvorrichtung 16 die Steuerrechenvorrichtung 16 dazu veranlassen, nachstehend beschriebene und dargestellte Maßnahmen vorzunehmen. Die Anwendung(en) kann bzw. können als Module oder Komponenten anderer Anwendungen umgesetzt werden. Des Weiteren kann bzw. können die Anwendung(en) als Betriebssystemerweiterungen, -module, Plug-ins oder dergleichen umgesetzt werden.
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Darüber hinaus kann bzw. können die Anwendung(en) in einer Cloud-basierten Rechenumgebung funktionsfähig sein. Die Anwendung(en) kann bzw. können in (einer) virtuellen Maschine(n) oder (einem) virtuellen Server(n) oder als diese ausgeführt werden, die in einer Cloud-basierten Rechenumgebung bedient werden können. Zudem kann bzw. können die Anwendungen) in einer oder mehreren virtuellen Maschinen (VMs) laufen, die in der Steuerrechenvorrichtung 16 ausgeführt werden.
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Die Kommunikationsschnittstelle 22 der Steuerrechenvorrichtung 16 koppelt die Steuerrechenvorrichtung 16 und das Diamantspanwerkzeug 12 operativ und stellt Kommunikationen zwischen ihnen her, wie es fachbekannt ist. In einem anderen Beispiel ist die Steuerrechenvorrichtung 16 eine hoch integrierte Microcontroller-Vorrichtung mit einer Vielfalt an eigenen Hardwarefunktionen, wie bspw. Analog-Digital-Wandlern, Digital-Analog-Wandlern, Serienbussen, Allzweckeingabe/-ausgabestiften, RAM und ROM.
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In dieser Schrift ist zwar die beispielhafte Steuerrechenvorrichtung 16 beschrieben und dargestellt, doch können auch andere Arten und/oder Anzahlen von Systemen, Vorrichtungen, Komponenten und/oder Elementen in anderen Topologien verwendet werden. Es versteht sich, dass die Systeme der Beispiele, die in dieser Schrift beschrieben sind, exemplarischen Zwecken dienen, da zahlreiche Variationen der konkreten Hardware und Software, die zum Umsetzen der Beispiele verwendet sind, möglich sind, wie der Fachmann auf dem bzw. den einschlägigen Gebiet(en) erkennen wird.
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Zudem kann die Steuerrechenvorrichtung 16 mit zwei oder mehr Rechensystemen oder -vorrichtungen ersetzt werden. Dementsprechend können Grundsätze und Vorteile der verteilten Verarbeitung, wie bspw. Redundanz und Vervielfältigung, gegebenenfalls auch umgesetzt werden, um die Robustheit und leistungsbezogenen Eigenschaften der Vorrichtungen und Systeme der Beispiele zu steigern. Die Beispiele können auch in (einem) Computersystem(en) umgesetzt werden, das bzw. die sich über ein beliebiges geeignetes Netz ausbreitet bzw. ausbreiten, wofür beliebige geeignete Schnittstellenmechanismen und Verkehrstechnologien verwendet werden, darunter bspw. allein Teletraffic in einer beliebigen geeigneten Form (bspw. Sprache und Modem), Drahtlosverkehrsnetze, Funkverkehrsnetze, Packet Data Networks (PDNs), das Internet, interne Netze und Kombinationen daraus.
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Die Beispiele können auch als ein oder mehrere nicht transitorische computerlesbare Medien verkörpert werden, in denen Anweisungen für einen oder mehrere Aspekte der vorliegenden Technologie, wie in dieser Schrift beispielhalber beschrieben und dargestellt, gespeichert sind. In einigen Beispielen beinhalten die Anweisungen ausführbaren Code, der bei Ausführung durch einen oder mehrere Prozessoren die Prozessoren dazu veranlassen, Schritte auszuführen, die zum Umsetzen der Verfahren der Beispiele dieser Technologie, die in dieser Schrift beschrieben und dargestellt sind, notwendig sind.
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Ein beispielhafter Prozess zum Mikromeißeln einer Oberfläche zum Ausbilden retroreflektierender Mikrostrukturen darauf, einschließlich polygonaler herausgeragter Öffnungen retroreflektierender Prismen, wird mit Verweis auf 1-10 beschrieben.
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Der Mikromeißelprozess beginnt mit dem Bereitstellen des Substrats 14, wie weiter oben beschrieben. In einem Beispiel ist ein Vorverarbeitungsschritt in den Mikromeißelprozess integriert, um das Substrat 14 vorzubereiten. Der Mikromeißelprozess ist im Vergleich zum Linearfräsen und Flycutting, anhand derer lange lineare Einkerbungen schnell erzeugt werden, ein relativ langsamer Prozess. Um die Zykluszeit zu verkürzen, wird der Vorverarbeitungsschritt integriert, um es zu ermöglichen, überschüssiges Material aus dem Substrat 14 auszuschruppen, wofür Ausgestaltungen für eine Geometrie abgestumpfter Prismen oder Einkerbungen oder andere Muster verwendet werden, bevor die finale Prismengeometrie auf dem Substrat 14 unter Verwendung des nachstehend beschriebenen Mikromeißelprozesses endbearbeitet wird. Diese Schrupptechnik kann die Verarbeitungszeit erheblich verkürzen. Des Weiteren kann ein robusterer Diamant verwendet werden, um große Schnitttiefen bei höheren Geschwindigkeiten der maschinellen Verarbeitung auszuschruppen. Anschließend kann ein Endbearbeitungsdiamant verwendet werden, um im Mikromeißelprozess die finale Geometrie, wie nachstehend beschrieben, zu erlangen.
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Zum Durchführen des Mikromeißelprozesses wird daraufhin der Diamant des Diamantspanwerkzeugs 12 durch das Substrat 14 gestochen und wieder herausgezogen. Ein beispielhafter Werkzeugweg des Diamantspanwerkzeugs 12 ist in 2 dargestellt. Im Mikromeißelprozess wird die Translationsmaschine 13 verwendet, um den Diamant entlang eines Einführwegs 30 in das Substrat 14 zu stechen und den Diamant entlang eines Herausziehwegs 31 aus dem Substrat 14 herauszuziehen. Für das Einstechen und Herausziehen wird die Vorschubgeschwindigkeit der Translationsmaschine 13 verwendet, um das Diamantspanwerkzeug 12 durch das Substrat 14 zu bewegen und um das Diamantspanwerkzeug 12 entlang einer oder mehrerer anderer Bewegungsachsen der Translationsmaschine 13 zu bewegen, damit eine Facette des jeweiligen Würfels erzeugt wird, wenngleich sich das Substrat 14 in anderen Beispielen von sich aus oder in Verbindung mit der Bewegung der Translationsmaschine 14 bewegen kann, um die Facette zu erzeugen. Die Facetten werden einen Winkel aufweisen, der durch die Ausrichtung einer Meißelschneide 32 des Diamanten des Diamantspanwerkzeugs 12 definiert wird, wie in 2 gezeigt. In dieser Weise werden die durch das Mikromeißeln ausgebildeten Facetten parallel zur Bewegung der Translationsmaschine 13 sein. Wenn allerdings zusätzliche Achsen auf einem komplexeren Werkzeugweg genutzt werden, können die ausgebildeten Facetten Stufenfunktionen, Radi, Freiformprofile oder Zufallsformen aufweisen, um nur Beispiele zu nennen. In einem anderen Beispiel kann die Facettentopologie auch nichtflach sein, wofür ein speziell konturiertes Diamantspanwerkzeug 12 verwendet wird.
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Das Einschneiden entlang des Einführungswegs 30 und Herausziehen entlang des Herausziehwegs 31 werden, beispielsweise, an verschiedenen Stellen entlang des Substrats 14 wiederholt, um eine Vielzahl retroreflektierender Strukturen auf dem Struktur 14 auszubilden. In einem Beispiel wird das Mikromeißeln durch die Steuerrechenvorrichtung 16 gesteuert, die mit der Translationsmaschine 13 gekoppelt ist. Der Mikromeißelprozess ermöglicht einige Ausgestaltungen reihenförmiger Retroreflektoranordnungen, einschließlich allgemeiner polygonaler Formen wie bspw. dreieckig, rhomboid, rechtwinklig, viereckig, pentagonal, hexagonal, oktogonal oder anderweitig polygonal, um Beispiele zu nennen.
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Anhand des Mikromeißelprozesses können verschiedene geometrische Retroreflektorauslegungen ausgebildet werden, wie bspw. jene, die im
US-Patent Nr. 6 015 214 offenbart sind, dessen Offenbarung hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen wird. Das DMC-Verfahren zum Ausbilden retroreflektierender Prismen, das in dieser Schrift offenbart ist, ist in der Lage, eben diese geometrischen Ausführungsformen mit viel größerer Flexibilität und viele andere geometrische Ausführungsformen zu erzeugen, die anhand der im
US-Patent Nr. 6 015 214 offenbarten Verfahrensweise nicht möglich sind.
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3 und 4 zeigen beispielhafte Hexagonalretroreflektoren oder -prismen, die unter Verwendung der in dieser Schrift beschriebenen Verfahren in einem Substrat ausgebildet werden können. Retroreflektoren aus hexagonalen Prismen mit herausgeragter Öffnung können zwei grundlegende geometrische Typen aufweisen, konkret Typ I (3) und Typ II (4). Auf 3 Bezug nehmend, sind hexagonale Prismen des Typs I derart definiert, dass sie eine Geometrie aufweisen, bei welcher die Zweiflächenkanten die Ecken einer äußeren herausgeragten Hexagonöffnung 34 schneiden, sodass die resultierenden Prismafacetten vierseitig sind. Hexagonale Prismen des Typs II, auf 4 Bezug nehmend, sind im Gegensatz dazu als diejenige Geometrie definiert, bei welcher die Zweiflächenkanten des Prismas die Ecken der äu-ßeren herausgeragten Hexagonöffnung 36 nicht schneiden. Prismen des Typs II ergeben drei pentagonale Facetten. Wie sowohl in 3 als auch 4 gezeigt, handelt es sich bei den Zweiflächenkanten um Kanten, die an der Schnittfläche der Facetten des Prismas gebildet sind, und diese Zweiflächenkanten laufen an der Spitze des hexagonalen Prismas zusammen. Im Falle der hexagonalen Prisma-Ausgestaltung liegen drei Zweiflächenkanten und drei Facetten vor. Für eine jeweilige Öffnungsgröße sind Prismen des Typs I tiefer oder höher als Prismen des Typs II der gleichen Öffnungsgröße.
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Bezüglich der Ausgestaltung für die hexagonalen Prismen mit herausgeragter Öffnung ermöglicht das Mikromeißeln im Falle der hexagonalen Prismen des Typs II, wie in 3 dargestellt, eine variable Ausrichtung der Prismen innerhalb einer jeweiligen Öffnung. Die Zweiflächenkanten können innerhalb der hexagonalen Öffnung eine zufällige Rotation aufweisen. 5 zeigt eine beispielhafte reihenförmige Anordnung hexagonaler retroreflektierender Prismen, die unter Verwendung der Verfahren der vorliegenden Technologie ausgebildet werden, wobei innerhalb der Öffnung eine konstante Rotation auf die Prismen angewendet wird, was für die gesamte reihenförmige Anordnung gilt.
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In einem anderen Beispiel ermöglicht es der Mikromeißelprozess zudem, dass jedes Prisma in der reihenförmigen Anordnung eine andere Rotation der Zweiflächenkanten innerhalb der Öffnung aufweist. Zudem kann eine festgelegte Gruppe Rotationen ausgestaltet werden, sodass ein jeweiliges Verhältnis an festgelegten Rotationen in eine reihenförmige Anordnung integriert werden kann. In einem Beispiel sind 50 Prozent der hexagonalen Prismen in der reihenförmigen Anordnung nicht rotiert, 25 Prozent sind um 10 Grad rotiert und 25 Prozent sind um -10 Grad rotiert. Es ist zwar ein beispielhafter Satz Rotationen beschrieben, doch versteht es sich, dass der Mikromeißelprozess eine jede Kombination aus Rotationswinkeln und Variationen von Verhältnissen von Rotationen innerhalb einer reihenförmigen Anordnung zulässt. In einem Beispiel, wie in 4 dargestellt, können hexagonale Prismen des Typs II mit Strömungskanälen 37 angeordnet und hergestellt werden, welche den Vervielfältigungsprozess unterstützen, wie nachstehend weitergehend beschrieben.
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Das Mikromeißeln ermöglicht eine Rotation der Facetten und Zweiflächenkanten eines hexagonalen Prismas des Typs II, wie in 5 gezeigt, wobei die Größe der Öffnung unverändert bleibt. In einem Beispiel kann die Öffnungsgröße der hexagonalen Prismen in der reihenförmigen Anordnung variiert werden. Durch die Prismenrotation können zwar Vertikalwandüberstände entstehen, bei denen Zweiflächenkanten auf die Öffnung treffen, doch können diese Überstände minimiert oder beseitigt oder derart ausgestaltet werden, dass sie eine Formschräge aufweisen, um die Vervielfältigungsprozesse, wie nachstehend ausführlicher beschrieben, zu vereinfachen. In einem anderen Beispiel ist das gesamte Prisma zusammen mit der Öffnung in einer jeweiligen reihenförmigen Anordnung auf einen zufälligen Winkel rotiert. In dieser Weise sind zufällige geometrische Kachelanordnungen möglich.
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In 6-10 sind zusätzliche geometrische Ausführungsformen von reihenförmigen Anordnungen retroreflektierender Prismen, die unter Verwendung der in dieser Schrift offenbarten Verfahren ausgebildet werden können, nur beispielhalber gezeigt. 6 stellt retroreflektierende Prismen dar, die eine rechtwinklige herausgeragte Öffnung 40 aufweisen. 7 stellt retroreflektierende Prismen dar, die eine pentagonale herausgeragte Öffnung 42 aufweisen. 8 stellt retroreflektierende Prismen dar, die eine quadratische herausgeragte Öffnung 44 aufweisen. 9-10 stellt retroreflektierende reihenförmige Anordnungen dar, die gemischte Kombinationen aus retroreflektierenden Prismen mit verschieden geformten Öffnungen aufweisen.
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Die Fähigkeit, Prismen ohne Neigung, mit positiver Neigung, mit negativer Neigung und mit einer Kombination aus diesen Neigungen zu gestalten und herzustellen, ist ebenfalls ein Merkmal des Mikromeißelprozesses. Die Neigung von Retroreflektorprismen kann dazu genutzt werden, die Lichtspiegelung in der Richtung einer solchen Neigung zu verstärken, wie in den
US-Patenten Nr. 4 588 258, 2 380 447 und 5 171 624 beschrieben, deren Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen werden. Im Falle einer herkömmlichen Prismenausgestaltung würde die Neigung des Prismas eine Änderung der Öffnung erfordern. Der Mikromeißelprozess ermöglicht es, die Prismenneigung und -rotation in die Ausgestaltung zu integrieren, ohne die Prismenöffnung zu ändern. Eine derartige beispielhafte Form ist in
8 gezeigt, wo die benachbarten Sätze aus vier Retroreflektoren
45 mit quadratischen Öffnungen sehr unterschiedliche Prismenneigungen aufweisen, was am Unterschied zwischen den Proportionen der Facettenflächen erkennbar ist.
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Der Mikromeißelprozess, auf 9-10 Bezug nehmend, geht mit der Fähigkeit einher, Retroreflektorprismen beliebiger Art und Geometrie zu mischen. Wie in 9 gezeigt, können abgestumpfte dreieckige Prismen 47 mit herausgeragter Öffnung abwechselnd mit pentagonalen Prismen 46 mit herausgeragter Öffnung angeordnet werden. Ein anderes Beispiel ist in 10 gezeigt, in der pentagonale Prismen 48 mit herausgeragter Öffnung mit unregelmäßigen hexagonalen Prismen 49 mit herausgeragter Öffnung gemischt sind. Zudem ist die Ausgestaltung uneingeschränkt, sodass verschiedene Steigungen und Größen des gleichen Prismentyps gemischt werden können. Andere Kombinationen variabler Steigung und variabler Tiefe von Prismen sind ebenfalls möglich. Zusätzlich zu mehreren Typen von Prismen, die die gleiche Ausgestaltung aufweisen, können die Prismentiefen derartig ausgestaltet werden, dass sie bezüglich variabler Prismenöffnungen gleich sind, oder die Prismentiefen können derartig ausgestaltet werden, dass sie gemäß der Öffnung der jeweiligen Prismengeometrie variieren. Die Flexibilität des Mikromeißelns verschafft viele Ausgestaltungsfähigkeiten, darunter: dreieckige, rhomboide, rechtwinklige, viereckige, pentagonale, hexagonale, oktogonale oder anderweitig polygonale Öffnungen mit variabler Rotation, Neigung und Mehrflächenwinkel in jedem Prisma oder jeder Prismengruppe. Zudem kann der Abstand zwischen den Retroreflektoren modifiziert werden, um spezifische Muster, Gruppierungen von Retroreflektoren oder andere ästhetische Merkmale, wie gewünscht, zu erzeugen. Zudem kann der Abstand zwischen den Retroreflektoren modifiziert werden, um spezifische Muster, Gruppierungen von Retroreflektoren oder andere ästhetische Merkmale, wie gewünscht, zu erzeugen.
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Das Mikromeißeln ermöglicht es des Weiteren, zufällige oder variable Öffnungsgrößen zu wählen, um Diffraktionseffekte zu reduzieren oder zu beheben. Eine Randomisierung, Quasi-Randomisierung oder Auswahl eines einzelnen Satzes von Öffnungsgrößen verschafft die Möglichkeit, dass die optischen Eigenschaften der reihenförmigen Retroreflektoranordnung auf ein rein geometrisches Modell zustrebt.
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Der Mikromeißelprozess kann zum einzelnen Anpassen von Tiefen, Steigungen, Winkeln und der Oberflächenendbearbeitung von Prismafacetten verwendet werden. Diese Anpassungen können im Hinblick auf Fälschungssicherungsmerkmale vorgenommen werden, und Folgende, nur als Beispiele, umfangen: Einarbeiten verborgener, mikroskopisch kleiner Merkmale auf den erzeugten Facetten; Einarbeiten sichtbarer Logomerkmale im Makromaßstab, welche die Größe mehrerer oder einiger Prismen oder des Musters der Retroreflektorerzeugnisse und deren jeweiligen Abstands voneinander einnehmen können; Erzeugen von Merkmalen, die nur aus bestimmten Blickwinkeln, bei besonderen Wellenlängen, Lichtverhältnissen oder unter Verwendung spezieller Messinstrumente bei nicht sichtbaren Wellenlängen sichtbar sind. Ein Verfahren zum Erlangen von Unterschieden in der Oberflächenendbearbeitung beinhaltet ein Abstimmen der Kräfte und Vorschubgeschwindigkeit für jeweilige Facetten oder spezifische Prismen in einer reihenförmigen Anordnung.
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In einem anderen Beispiel können mittels Mikromeißeln Logos derart in das Prismenmuster eingearbeitet werden, dass sie im Vergleich zu gegenwärtigen Graviermustern, welche die photometrischen Werte beeinträchtigen, unzerstörbar und funktionsfähig sind. Beispielsweise kann das Spanprogramm in vorgegebener Weise modifiziert werden, um den Effekt eines „Wasserzeichens“ zu erzeugen. Für Ausgestaltungen mit Multi-DAD/Kippeffekt können konkrete Vorgaben bzgl. Prismen miteinander kombiniert werden, um das Wasserzeichenmuster zu bilden. In diesem Beispiel werden ähnliche Prismenvorgaben zu Wasserzeichen definierenden Bereichen angeordnet.
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Der Mikromeißelprozess ermöglicht das Einbringen von Formschrägenschnitten in Strukturwände, um das Herauslösen während des Elektroplattierens oder der Formung zu erleichtern. Im Falle bestimmter Geometrien würden die in dem Substrat erzeugten Prismenstrukturen vertikale Wände oder Hinterschnitte aufweisen, die in weiterführenden Vervielfältigungsprozessen schwer herauszulösen wären. Manche Retroreflektorausgestaltungen weisen Facetten von Prismen auf, welche die Facetten angrenzender Prismen überdecken. Diese Überdeckungen werden Formschrägen ergeben, die negativ sind und dazu führen werden, dass sich die Strukturen bei der nachfolgenden Vervielfältigung zu Ausstattungen „verhaken“. Das Mikromeißeln ermöglicht das Einbringen von Maschinenbearbeitungsmerkmalen, welche diese Hinterschnitte, oder Störflächen, beheben und sie mit einer vertikalen Wand (keinem Hinterschnitt) ersetzen können oder die einen positiven Winkel (eine Formschräge) an diesen Oberflächen verschaffen können, um ein leichteres Herauslösen bei der Vervielfältigung zu ermöglichen.
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Hohe Spannungskräfte an dem Diamantwerkzeug können die Werkzeughaltbarkeit mindern. In einem Beispiel wird das Mikromeißeln derart gesteuert, dass hohe Spannungskräfte an dem Diamantspanwerkzeug 12 in der Phase des Herausziehens der Schnittvornahme verhindert werden. In diesem Beispiel wird der Betrieb des Diamantspanwerkzeug 12 optimiert, um eine Materialentfernung während der Einstichphasen, in denen der Diamant den erzeugten Druckkräften gegenüber robuster ist, und nicht während der Herausziehphasen des Werkzeugs zu bewirken. Diese Vorgehensweise, das maschinelle Bearbeiten mit dem Diamanten nur während der Kompression vorzunehmen, stellt ein Verfahren zum Erhöhen der Haltbarkeit des Diamanten dar, da das Entfernen von Material beim Herausziehen mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit einhergeht, Werkzeugschäden zu verursachen, da Spannung auf den Diamanten ausgeübt wird.
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Wenn eine reihenförmige Prismenanordnung anhand des Mikromeißelprozesses im Substrat fertiggestellt worden ist, kann das Substrat zu einem Rolle-zu-Rolle-Band oder zylindrischen Band vervielfältigt werden, das zum Herstellen von Folien aus polymerem retroreflektierendem Film verwendet wird. Um die Zykluszeit für die Vervielfältigung zu verkürzen, können spritzgegossene Replikate hergestellt und parkettiert werden, um Ausstattungen größeren Formats auszubilden. Der Mikromeißelprozess ergibt ein relativ kleines Urstück (einer Größe von 2 Quadratzoll), was darauf zurückzuführen ist, wie viel Zeit das Herausmeißeln jedes Würfels in Anspruch nimmt, wie auch auf die eingeschränkte Versetzung des Maschinenwerkzeugs, an dem die Urstücke produziert werden. Das Vervielfältigen und Parkettieren ist erforderlich, um eine derartige Größe der Urstückstruktur zu erreichen, die das Durchführen einer Rolle-zu-Rolle-Polymerverarbeitung ermöglicht.
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Die reihenförmige Prismenanordnung kann, als Beispiel, auf einem zylindrischen Band vervielfältigt und parkettiert werden, das eine Breite von 24 bis über 50 Zoll und einen Umfang von 25 bis 150 Zoll aufweist, wie in den Patenten Nr. 4 478 769 und 6 322 652 wie auch in der PCT-Veröffentlichung Nr.
WO 2103/151691 beschrieben, deren Offenbarungen hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen werden. Damit die Struktur die Außenfläche der Fertigungstrommel komplett abdeckt, muss das Werkzeugurstück vervielfältigt und parkettiert werden.
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In einem Beispiel werden mehrere Polymerreplikate des per Mikromeißeln hergestellten Teils angefertigt und akkurat parkettiert, um die größere reihenförmige Anordnung retroreflektierender Prismen für das Band herzustellen. Diese größere reihenförmige Anordnung kann dann mit einem leitfähigen Überzug überzogen und in einem Elektroplattierprozess vervielfältigt werden, um einzelne Matrizen zu produzieren, die anschließend zu einem Band zusammengesetzt werden können. Der Polymervervielfältigungsparkettierprozess ist weniger kostspielig, die Produktion nimmt weniger Zeit in Anspruch und die erforderlichen optischen Eigenschaften der finalen UV-Verguss- oder -Präge-Retroreflektoren werden beibehalten.
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Die Verwendung der Polymerreplikate ermöglicht es, Abschnitte der reihenförmigen retroreflektierenden Anordnung während des Parkettierprozesses umzuordnen. Da der Prozess des Herstellens des Bands ein Parkettieren des Urstücks erforderlich macht, können die Replikate der per Mikromeißeln hergestellten Retroreflektoren derart ausgerichtet werden, dass die retroreflektierenden Eigenschaften an den Ecken verstärkt werden, die für das Endprodukt erforderlich sind, was je nach Anwendung variiert.
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Anhand des Mikromeißelprozesses kann, auf der Grundlage der Prismengeometrie, von Ausgestaltungsvorgaben und der Spanlogistik, entweder ein Positiv- oder Negativerzeugungsteil ausgestaltet und maschinell hergestellt werden. Aufgrund der Anpassbarkeit des Mikromeißelprozesses kann entweder die Positiv- oder Negativerzeugung des Teils hergestellt werden. Kriterien für das Bevorzugen einer Ausrichtung gegenüber einer anderen sind u. a. die Geometrie des Prismas, durch welche die ein oder andere Erzeugung wegen Überlagerungen während des Maschinenbearbeitungsprozesses eventuell ausgeschlossen ist, und Prismen mit Winkeln, die Diamanten mit sehr kleinen Innenwinkeln bei der ein oder anderen Erzeugung erfordern würden. Eine spezielle Prismenanordnung kann derart ausgestaltet werden, dass sie ungeachtet der Vervielfältigungserzeugung erzeugungsunabhängig ist. So kann zum Beispiel eine nahtlose Integration von Würfelecken mit „Positiv-“ und „Negativ-“Erzeugung möglich sein. Dies bringt zwar den Nebeneffekt, dass es den Wirkbereich um den Anteil der Prismen an der „falschen“ Erzeugung im fertigen Teil reduziert, für zweiseitige retroreflektierende Produkte kann es jedoch von Vorteil sein. Da sowohl Positiv- als auch Negativwerkzeugerzeugungen verwendet werden können, kann außerdem die Ergiebigkeit verfügbarer Werkzeuge für den Fertigungsprozess faktisch verdoppelt werden.
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Bei retroreflektierenden Ausgestaltungen mit abgestumpften Prismen grenzen in einer einzelnen Ebene drei Kanten, die keine Zweiflächenkanten sind, an jedes Prisma an. Diese Ausgestaltung reduziert die Gieß- oder Prägegeschwindigkeit wegen des Ausbildens einer geschlossenen Zelle, die mit Polymer gefüllt werden muss, und der eingeschlossenen Luft, die entweder freigesetzt oder durch die Materialien diffundieren gelassen wird. Eine Prismenanordnung ohne Aussparungen aus geschlossenen Zellen oder ein Einbringen von Kanälen, anhand derer das Polymermaterial oder die Luft strömen können, ermöglicht das MaterialAbführen von Gasen und das Strömen von Polymermaterial während der Fertigung. In einem Beispiel können hexagonale Prismen des Typs II mit Strömungskanälen angeordnet und hergestellt werden, wie in 4 gezeigt, um eine Strömungskontinuität für den Vervielfältigungsprozess bereitzustellen. Beim Form- oder Gießprozess ist die Strömungskontinuität entscheidend, da das Material nicht in eine geschlossene Zelle eingeschlossen wird. Diese Strömungslinie kann auf dem Fertigungsband in Richtung des Gießens oder Formens ausgerichtet werden, um den Materialfluss zu fördern und die Verarbeitung zu beschleunigen.
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Dementsprechend stellt die vorliegende Technologie vorteilhafterweise verbesserte Verfahren zum Ausbilden retroreflektierender Prismen in einem Substrat bereit, das zum Herstellen retroreflektierender Folien und Ausstattungen mit polygonalen Retroreflektoren unter Verwendung von Mikromeißeltechniken verwendet werden kann. Außerdem stellen die Techniken vorteilhafterweise die Erzeugung von Würfeleckenprismen bereit und steigern die Gestaltungsfähigkeiten für retroreflektierende reihenförmige Anordnungen.
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Damit wurde das Grundkonzept der Erfindung beschrieben; für Fachleute wird es sich verstehen, dass die vorstehende detaillierte Offenbarung nur beispielhalber dargelegt wurde und nicht einschränkend gedacht ist. Fachleute werden und sollen verschiedene Abwandlungen, Verbesserungen und Modifikationen erkennen, sind diese in dieser Schrift auch nicht ausdrücklich genannt. Diese Abwandlungen, Verbesserungen und Modifikationen werden hiermit absichtlich nahegelegt und sind im Wesen und Umfang der Erfindung eingeschlossen. Darüber hinaus ist die genannte Reihenfolge von Verarbeitungselementen oder -abfolgen und damit die Verwendung von Zahlen, Buchstaben oder anderen Kennzeichnungen nicht von der Absicht getragen, die beanspruchten Prozesse auf eine etwaige Reihenfolge zu begrenzen, es sei denn, dies ist in den Ansprüchen vorgegeben. Dementsprechend ist die Erfindung ausschließlich durch die nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalente eingeschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 62/556735 [0001]
- US 6253442 [0003]
- US 7156527 [0003]
- US 3689346 [0003]
- US 3712706 [0004]
- US 6015214 [0027]
- US 4588258 [0033]
- US 2380447 [0033]
- US 5171624 [0033]
- WO 2103/151691 [0041]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Brinksmeier et al., „Diamond Micro Chiseling of Large-Scale Retroreflective Arrays“, Precision Engineering, 34(4):650-57, (2012) [0009]
