DE4345128A1 - Vorrichtung zum Prägen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung.

Vorrichtungen zum Prägen von bahnförmigem - im Sinne von quasi-endlosem - Material sind in vielfältigen Ausgestal­ tungen aus der Druck- und Verpackungsindustrie, der Verar­ beitung von Kunststoffolien und anderen Gebieten der Tech­ nik bekannt.

Derartige Vorrichtungen weisen üblicherweise Walzen mit profilierter Oberfläche auf, zwischen denen das zu bear­ beitenden bahnförmige Gut - Papier, Pappe, Kunststoffolien etc. - hindurchläuft und die ihr Oberflächenprofil in das Gut abdrücken. Dabei kommen zumeist Stahlwalzen, insbeson­ dere mit Chrombeschichtung, zum Einsatz.

Aus DE 32 02 914 A1 ist eine Längsschneide- und Rillma­ schine für die Verpackungsindustrie bekannt, bei der auf einem drehbaren Verschieberohr einzelne Präge- und/oder Schneidwerkzeuge in axialer Richtung gereiht festgeklemmt sind, die in dem zu bearbeitenden Verpackungsmaterial Ril­ len und Schnitte erzeugen.

Die Druckschrift DE 41 25 996 C1 beschreibt eine beheiz­ bare Prägewalze mit nebeneinander angeordneten Segmenten zur Bearbeitung von Kunststoffolien.

Aus DE 39 15 508 A1 ist eine Maschine zur Druckbehandlung von Warenbahnen bekannt, die eine Walze mit einzelnen, in axialer Richtung nebeneinanderliegenden keramischen Ringen als Prägewerkzeuge aufweist.

Diese bekannten Vorrichtungen mit Prägewerkzeugen aus sehr hartem Material ermöglichen die Bearbeitung herkömmlicher, relativ fester Verpackungsmaterialien mit geringem Werk­ zeugverschleiß, und die Werkzeuge sind wegen ihrer im we­ sentlichen rotationssymmetrischen Gestalt trotz der Härte des Materials mit vertretbarem Aufwand herstellbar.

Sind jedoch in Materialien geringer Festigkeit - etwa vli­ esartigem Material, Filterpapier oder Schaumfolienbahnen - Vertiefungen und/oder Erhebungen relativ großer Höhe aus­ zubilden, besteht bei Einsatz derartiger Vorrichtungen mit sehr harten Werkzeugen die Gefahr von Beschädigungen des Materials, etwa von sogenannten Durchprägungen. Wenn ins­ besondere Prägestrukturen zu erzeugen sind, die eine we­ sentlich von der rotationssymmetrischen Gestalt abweichen­ de Formgebung der Prägewerkzeuge erfordern, wird zudem de­ ren Herstellung aus den üblichen, hochverschleißfesten Werkstoffen sehr aufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung der eingangs genannten Gattung, die für die Bear­ beitung von Materialien geringer Festigkeit geeignet und kostengünstig herstellbar ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma­ len des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, daß zur Erzeu­ gung von Vertiefungen und/oder Erhebungen größerer Höhe in bahnförmigen Materialien geringer Festigkeit zur Vermei­ dung von Schäden am zu bearbeitenden Gut einerseits und zur Gewährleistung akzeptabler Werkzeugkosten (in die bekanntlich Gestehungskosten und Lebensdauer eingehen) an­ dererseits Werkzeuge mit einem wohldefinierten radialen Festigkeitsprofil vorzusehen sind.

Dieses radiale Festigkeitsprofil sollte so gewählt sein, daß das Werkzeug vom Außenumfang bis mindestens annähernd zur maximalen Prägetiefe eine relativ geringe Härte bzw. Festigkeit aufweist, diese aber dann radial nach innen stark ansteigt. Die Festigkeit im Randbereich muß in Ab­ stimmung auf das zu bearbeitende Gut so gewählt sein, daß exakt ausgeformte, permanente Vertiefungen bzw. Erhebungen gebildet werden und sich der Werkzeugverschleiß in Grenzen hält. Die Gestalt und Festigkeit des Werkzeugs im inneren Bereich (dem Werkzeugkern) muß so hoch sein, daß das Werk­ zeug als Ganzes im Prägeverfahren auch nach längerer Be­ nutzung formstabil bleibt.

Ein bevorzugte Ausbildung besteht darin, daß der Kern die Gestalt eines Hohlzylinders aufweist. Durch Wahl eines ro­ tationssymmetrischen Kerns wird in vorteilhafter Weise ein guter Rundlauf der Prägewalze erreicht. Ein rotationssym­ metrischer (zylindrischer bzw. hohlzylindrischer) Kern läßt sich zudem leicht und kostengünstig fertigen.

In einer hierzu alternativen Ausbildung kann die Umfangs­ fläche des Kerns profiliert sein, d. h. ganz oder teilweise die Gestalt der im zu bearbeitenden Material zu bildenden Vertiefungen und/oder Erhebungen bereits in der Gestalt des Kerns vorgegeben sein. Hierbei kann die Schicht gerin­ gerer Festigkeit zusätzlich Bereiche unterschiedlicher Dicke aufweisen und somit die Profilierung des Kerns - diese aufgreifend - verstärken. Sie kann aber auch als (dämpfende) Schicht konstanter Dicke aufgebracht sein.

Bei den vorgenommenen Untersuchungen hat es sich als vor­ teilhaft ergeben, wenn die mittlere Dicke der profilierten Schicht maximal 1/20 des mittleren Durchmessers des Präge­ werkzeugs beträgt.

Eine Ausbildung von erheblicher praktischer Bedeutung bei der Herstellung von Verpackungsmaterial oder Filtereinsät­ zen für Fluidfilter ist eine solche, bei der die profi­ lierte Schicht nicht-rotationssymmetrisch angeordnete, nockenartige Erhebungen und/oder Vertiefungen zum Einprä­ gen komplementärer Vertiefungen und/oder Erhebungen in das bahnförmige Material aufweist.

In bevorzugten Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung besteht der Kern aus Metall, insbesondere Aluminium, Messing oder Stahl, und die profilierte Schicht aus Kunst­ stoff, insbesondere einem Polyurethanwerkstoff.

Bei einer Vorrichtung zum Einprägen mehrerer, in Bahn­ längsrichtung zueinander paralleler Muster in das bahnför­ mige Material sind auf dem Tragrohr in vorteilhafter Weise mehrere Prägewerkzeuge nebeneinander angeordnet, wobei die Kerne im wesentlichen gleichen Durchmesser und die profi­ lierten Schichten im wesentlichen die gleiche Dicke haben.

Die profilierte Schicht kann etwa aus einem Streifen des Materials geringerer Festigkeit bestehen, der mit dem Kern verklebt ist.

Eine bevorzugte Ausführung besteht darin, daß die profi­ lierte Schicht in einer Guß- oder Spritzgußform an den Kern angegossen oder angespritzt wird.

Dieses in Anspruch 10 spezifizierte Verfahren läßt sich besonders elegant durchführen, wenn als Kunststoff zur Ge­ winnung der profilierten Mantelform ein Polyurethanwerk­ stoff verwendet wird. Dessen Festigkeit kann durch geeig­ nete Auswahl und Mischung der Monomere und ggf. von Füll­ stoffen leicht auf die Bedingungen des konkreten Prägever­ fahrens, das mit den hergestellten Werkzeugen ausgeführt werden soll, eingestellt werden.

Alternativ dazu kann als Kunststoff zur Gewinnung der pro­ filierten Mantelform ein Epoxidharzwerkstoff verwendet werden.

Die im beanspruchten Verfahren verwendete Urform kann be­ vorzugt aus Aluminium hergestellt werden, das sich ver­ gleichsweise leicht in die benötigte, komplizierte Form bringen läßt.

Die beanspruchte Vorrichtung stellt eine schnell und ko­ stengünstig bereitzustellende Prägevorrichtung insbesondere zum Ausbilden von Prägungen mit höchster Präzision in re­ altiv weiche Materialien dar, die nicht durch rotations­ symmetrische Walzenprofile erzeugbar sind. Solche Prägun­ gen werden etwa in der Filterherstellung benötigt.

Das beanspruchte Verfahren, das das Konstruktionsprinzip der Vorrichtung verfahrenstechnisch aufgreift und umsetzt, stellt ein effizientes und kostengünstiges Herstellungs­ verfahren dar.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zu­ sammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung ei­ ner Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2a und 2b schematische Querschnittsdarstellungen ei­ ner Prägewalze in zwei Ausführungsformen und

Fig. 3 eine Prinzipskizze des Verfahrens zur Herstellung der Vorrichtung.

In Fig. 1 ist schematisch dargestellt, wie eine Bahn 1 aus plastischem Schaumstoffmaterial, die mit einer Reihe von unterschiedlichen Prägemustern versehen werden soll, zwi­ schen zwei Prägewalzen 2 und 3 hindurchläuft, die auf je einer Hohlwelle 4 bzw. 5 drehfest befestigt sind und mit dieser in der durch die gebogenen Pfeile verdeutlichten Drehrichtung gedreht werden.

Die Prägewalzen bestehen aus je fünf auf die Welle 4 bzw. 5 axial aufgeschobenen und mittels Nut und Feder drehfest auf dieser gehaltenen Prägeringen bzw. Segmenten, wobei in Fig. 1 der besseren Übersichtlichkeit halber nur von der oberen Prägewelle 2 alle fünf Ringe 2a bis 2e, von der un­ teren, durch die auslaufende Materialbahn weitgehend ver­ deckten, Prägewelle 3 dagegen nur die Ringe 3d und 3e ge­ zeigt sind. (In der Praxis kann das Verhältnis von Breite zu Durchmesser der Ringe erheblich von der gegebenen Dar­ stellung abweichen, und diese müssen auch nicht lückenlos aneinandergereiht sein.)

Alle Ringe bzw. Segmente sind - was in der Figur mit den Bezugsziffern 21e und 22e bzw. 31e und 32e nur für die Ringe 2e und 3e dargestellt ist - aus einem hohlzylindri­ schen Aluminiumkern und einem an dessen äußere Mantelflä­ che, diese umgebend, angegossenen Polyurethanmantel aufge­ baut.

In der Figur ist zur Verdeutlichung der Anwendungsbreite eine Konfiguration dargestellt, bei alle Ringe 2a bis 2e verschiedenartige Prägemuster in der Materialbahn 1 erzeu­ gen, die als geprägte Bahn 1′ aus der Vorrichtung aus­ läuft. Von links nach rechts sind dies: eine feine, irre­ gulär gewellte Rille, eine erhabene, durchgehende Sicke, eine vertiefte, durchgehende Sicke, halbkugelförmige Ein­ prägungen und prismatische Einprägungen. Die Ringe der un­ teren Prägewelle 3 tragen jeweils eine zu den Ringen der oberen Prägewelle 2 komplementäre Prägekontur im bzw. auf dem PU-Mantel.

In einer abgewandelten Ausführungsform kann - insbesonde­ re, wenn die Prägemuster nur geringe Tiefe aufweisen und nur auf einer Oberfläche der Bahn vorliegen sollen - die untere Prägewelle auch glatt ausgebildet sein.

Andererseits können die Konturen der Segmente im Verhält­ nis zur Dicke der zu bearbeitenden Materialbahn auch noch wesentlich höher sein, so daß die eingeprägten Erhebungen und Vertiefungen wesentlich ausgeprägter sind und regel­ rechte Wandungen aufweisen.

In Fig. 2a und 2b sind zwei Prägewalzen der in Fig. 1 ge­ zeigten Art in jeweils einer speziellen Ausbildung des Kern-Mantel-Verbundes gezeigt.

Bei der Prägewelle nach Fig. 2a besteht der auf eine hohl­ zylindrische Welle bzw. ein Verschieberohr 40 aufgeschobe­ ne und dort mit einer Nut-und-Feder-Verbindung 41 drehfest gehaltene Ring 20a aus einer rotationssymmetrischen Stahl­ scheibe 201a mit einem angegossenen PU-Mantel 202 mit einer nicht rotationssymmetrischen Prägekontur 202a, die in ih­ rer gesamten Höhe aus dem PU-Werkstoff gebildet ist.

Fig. 2b zeigt eine Prägewelle mit ähnlicher Prägekontur, bei der ein auf der Welle 40 mittels der Nut-Feder- Verbindung 41 gehaltener Ring 20b aus einer nicht rota­ tionssymmetrischen Messingscheibe 201b, in die der Verlauf der Prägekontur eingearbeitet ist, und einem auf deren Um­ fang aufgeklebten Kunststoffstreifen 202b konstanter Dicke aufgebaut ist.

In Fig. 3 ist das Verfahren zur Herstellung einer Vorrich­ tung mit dem in den Fig. 1 und 2a dargestellten Aufbau an einem Ablaufschema der wesentlichsten Verfahrenschritte verdeutlicht.

Zunächst wird auf der Grundlage des gewünschten Oberflä­ chenprofils 1a einer zu prägenden Materialbahn 1 mit Hilfe eines Rechners R die erforderliche Prägekontur des Werk­ zeugs errechnet.

Das errechnete Oberflächenprofil wird mittels einer nume­ risch gesteuerten Werkzeugmaschine NC in eine Aluminium- Urform U des Prägewerkzeuges umgesetzt.

Unter Zugrundelegung der kleinsten radialen Abmessung der Urform und unter Beachtung der Festigkeitseigenschaften des zu bearbeitenden Materials einerseits und der für das Prägewerkzeug vorgesehenen Werkstoffe andererseits wird - wiederum mit Hilfe des Rechners R - der optimale Durchmesser des zu fertigenden Kerns 201a des Werkzeuges (Prägeringes) 20a bestimmt, dieser auf einer Drehmaschine D gefertigt und mit der Nut für die Nut-Feder-Verbindung versehen.

Mit Hilfe einer Innendrehmaschine ID wird entsprechend der größten radialen Erstreckung (mit einer mit Hilfe des Rechners R errechneten Zugabe) und der Höhe der Urform U - wiederum aus Aluminium - ein Dauerformrahmen FR mit ei­ ner zylindrischen Ausnehmung gefertigt.

In diesen wird die Urform U nach Versehen mit einem Trenn­ mittel konzentrisch eingesetzt und der Zwischenraum zwi­ schen Formrahmen FR und Urform U mit Kunststoff ausgegos­ sen. Nach Entfernen der Urform ist auf diese Weise die Form F zur Herstellung der Prägeringe gebildet.

In die Form F wird nach Versehen mit einem Trennmittel der Kern 210a eingesetzt, der Zwischenraum mit einer Urethan­ mischung ausgefüllt und diese auspolymerisiert, wobei sich der fest mit dem Kern verbundene Mantel 202a bildet, der die Prägekontur trägt und mit dem Kern zusammen den Präge­ ring 2a bildet, der auf die Welle 40 aufgeschoben und mit­ tels der Nut-Feder-Verbindung befestigt wird.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei­ spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Insbesondere können zur Realisierung des erforderlichen Festigkeitsprofils andere als die angegebenen Materialien eingesetzt werden; dies gilt auch für die Formmaterialien. Auch die dargestellten Prägeprofile und die als zu bear­ beitendes Gut genannten Materialien sind lediglich als Bei­ spiele zu verstehen.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Prägen von mit vorgegebener Periodi­ zität in der Ebene angeordneten Vertiefungen und/oder Er­ hebungen in bahnförmiges, durchlaufendes Material (1) ge­ ringer Festigkeit mit einer Prägewalze (2, 3) mit einem drehbaren Tragrohr (4, 5; 40) und mindestens einem auf diesem angeordneten Prägewerkzeug (2a bis 2e, 3d, 3e; 20a, 20b) mit wesentlich größerem Durchmesser als das Tragrohr (4, 5; 40), wobei das Prägewerkzeug einen konzentrisch drehfest auf dem Tragrohr befestigten Kern (21e, 31e; 201a, 201b) aus einem Material hoher Festigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Mantelfläche des Kerns, mit dieser fest verbunden, eine profilierte Schicht (22e, 32e; 202a, 202b) mit ge­ genüber dem Zylinder geringerer Festigkeit angeordnet ist, deren Dicke mindestens gleich der maximalen Prägetiefe ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kern die Gestalt eines Hohlzylinders (21e, 31e; 201a) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Umfangsfläche des Kerns (201b) profiliert ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Dicke der profilierten Schicht (22e, 32e; 202a, 202b) maximal 1/20 des mittleren Durchmessers des Präge­ werkzeugs beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die pro­ filierte Schicht (22e; 202a) nicht-rotationssymmetrisch angeordnete, nockenartige Erhebungen und/oder Vertiefungen zum Einprägen entsprechender Vertiefungen Und/oder Erhe­ bungen in das bahnförmige Material aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (21e, 31e; 201a, 201b) aus Metall, insbesondere Aluminium, Messing oder Stahl, und die profilierte Schicht (22e, 32e; 202a, 202a) aus Kunststoff, insbesondere einem Polyuret­ hanwerkstoff, besteht.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Tragrohr (4, 5) mehrere Prägewerkzeuge (2a bis 2e, 3d, 3e) nebeneinander angeordnet sind, wobei deren Kerne im we­ sentlichen gleichen Durchmesser haben.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die pro­ filierte Schicht (202b) mit dem Kern (201b) verklebt ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die pro­ filierte Schicht (202a) an den Kern (201a) angegossen oder angespritzt ist.

10. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach ei­ nem der vorangehenden Ansprüche, mit den Schritten:

• - Anfertigen einer Metall-Urform (U) des Prägewerkzeuges (20a) entsprechend einem zu erzeugenden Oberflächenprofil des bahnförmigen Materials (1),
• - Anfertigen eines Kreiszylinders (201a) mit gegenüber der kleinsten radialen Abmessung der Metall-Urform (U) um eine minimale Dicke der auf dem Kreiszylinder anzuordnenden profilierten Schicht (202a) verringertem Außendurchmesser und einer der Querschnittsform des Tragrohres (40) ent­ sprechenden zentralen Ausnehmung,
• - Herstellen eines Metall-Dauerformrahmens (FR) mit der Höhe des Kreiszylinders (201a) entsprechender Höhe und ei­ nem kreiszylindrischen Innenraum mit die größte radiale Erstreckung der Urform (U) geringfügig übersteigendem Durchmesser,
• - konzentrisches Einsetzen der Urform (U) als primären Formkern in den Innenraum des Dauerformrahmens (FR),
• - Ausfüllen des Zwischenraumes zwischen primärem Formkern (U) und Dauerformrahmen (FR) mit Kunststoff und Aushärten desselben zur Gewinnung einer profilierten Mantelform (F),
• - Entnehmen der Urform (U) und Einsetzen des Kreiszylin­ ders (201a) als sekundären Formkern in die Mantelform (F),
• - Ausfüllen des Zwischenraumes zwischen sekundärem Form­ kern (201a) und Mantelform (F) mit dem Material der zu bildenden profilierten Schicht (202a) und Aushärten des Materials und
• - Entnehmen des fertigen Prägewerkzeuges (20a) aus der Mantelform (F) und Aufschieben auf das Tragrohr (40).

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Kunststoff zur Bildung des inneren Mantelbereiches der profilierten Mantelform (F) ein Polyurethanwerkstoff verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Kunststoff zur Bildung des inneren Mantelbereiches der profilierten Mantelform (F) ein Epoxidharzwerkstoff verwendet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß als Metall zur Anfertigung der Urform (U) und/oder des Mantelformrah­ mens (FR) Aluminium verwendet wird.