DE60004019T2

DE60004019T2 - Gerät für gegenstände mit strukturierten oberflächen

Info

Publication number: DE60004019T2
Application number: DE60004019T
Authority: DE
Inventors: R. Michael GORMAN; D. Roger PAVLIS
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1999-03-01
Filing date: 2000-02-11
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2020-02-12
Also published as: ES2199780T3; WO2000051808A1; AU2879800A; ATE245522T1; US6190594B1; DE60004019D1; JP4567204B2; US20010000117A1; JP2002538019A; DK1156920T3; EP1156920A1; EP1156920B1; TW487631B

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung von Gegenständen bzw. Artikeln mit strukturierten Oberflächen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Werkzeug zum Herstellen von Artikeln mit einer oder mehreren strukturierten Oberflächen, Verfahren zum Herstellen des Werkzeugs und Verfahren zur Verwendung des Werkzeugs zur Herstellung von Artikeln mit einer oder mehreren strukturierten Oberflächen.
Hintergrund
Artikel mit einer oder mehreren strukturierten Oberflächen finden eine Vielzahl von Anwendungen. Die Artikel können als Filme bereitgestellt werden, welche beispielsweise eine vergrößerte Oberfläche, zum Bereitstellen eines mechanischen Befestigungselements verwendete Strukturen, optische Eigenschaften usw. aufweisen. Wenn diese Filme zur Verwendung als mechanische Befestigungselemente hergestellt werden, werden die auf der strukturierten Oberfläche vorhandenen Vorsprünge gemeinhin als Haken bezeichnet. Die Haken können in einer gekrümmten Form gebildet werden, oder sie können im wesentlichen aufrechte Stiele sein, die verformt sind, so daß sie beispielsweise einen Kopf in Form eines Pilzes aufweisen.
Mechanische Befestigungselemente sind manchmal so ausgelegt, daß zwei Hakenstreifen zum Befestigen von zwei Artikeln aneinander verwendet werden können, indem jeder Streifen an einem der Artikel befestigt wird und die zwei Streifen dann in Eingriff miteinander gebracht werden. Ein solches mechanisches Befestigungselement ist in US-A-3 192 589 (Pearson) dargestellt, worin das Befestigungselement als "hermaphroditisch" bezeichnet wird, weil seine mit Köpfen versehenen Stiele sowohl männliche als auch weibliche Eigenschaften aufweisen, wenn sie ineinandergreifen. Die Befestigungselemente von Pearson können hergestellt werden, indem eine Basis geformt wird, aus der integrierte kopflose Stiele vorstehen, und indem die Spitzen der Stiele dann durch Wärme erweicht werden.
In US-A-5 077 870 (Melbye u. a.) ist ein Verfahren zum Herstellen des Hakenstreifenabschnitts eines mechanischen Befestigungselements durch Drängen geschmolzenen Materials in Hohlräume, die in einer sich bewegenden Formoberfläche ausgebildet sind, offenbart. Die durch die sich bewegende Formoberfläche gebildeten Stiele werden dann zur Bildung der gewünschten Befestigungselemente verkappt. Die Hohlräume werden durch Bohren in der Formoberfläche gebildet. Die Hohlräume nehmen dadurch eine zylindrische Gestalt an, und wenngleich eine gewisse Genauigkeit der Tiefe, des Durchmessers und des Abstands zwischen den Hohlräumen erhalten werden kann, wird sie unter einigen Schwierigkeiten und erhöhten Kosten erhalten. Weiterhin ist es bei einer Beschädigung der Formoberfläche typischerweise erforderlich, die gesamte Form wegzuwerfen.
In US-A-5 792 411 (Morris u. a.) ist ein durch Laserbearbeitung einer Formoberfläche hergestelltes Formwerkzeug offenbart. Geschmolzenes Material wird dann in die Hohlräume in der sich bewegenden Formoberfläche gedrängt, um Stiele zu bilden. Die Stiele werden dann zur Bildung der gewünschten Befestigungselemente verkappt. Weil die Hohlräume durch Laserabtragung gebildet werden, beruht die Hohlraumform auf der Energieverteilung innerhalb des zur Bildung der Hohlräume verwendeten Laserstrahls. Weiterhin läßt sich eine genaue Steuerung der Tiefe der Hohlräume wegen der Veränderlichkeit des zum Herstellen der Form verwendeten Materials, der Leistung des Laserstrahls, der Energieverteilung innerhalb des Strahls, des Brennpunkts des Strahls usw. nur schwer erhalten.
In US-A-4 775 310 (Fischer) und in der PCT-Veröffentlichung WO 97/46129 (Lacey u. a.) sind Werkzeuge offenbart, die zum Herstellen von Hakenstreifen für ein Haken und Schlaufen aufweisendes mechanisches Befestigungselement verwendet werden. Die Werkzeuge sind durch eine Hohltrommel mit einem Wasserkühlmantel gebildet. Eine Reihe von Formscheiben oder alternierenden Formscheiben und Abstandsplatten sind entlang der Trommel miteinander laminiert, um die gewünschten Formhohlräume an der Außenfläche der Rolle zu bilden. Nachteile dieser Konstruktionen umfassen die Kosten zur Herstellung der Formscheiben mit einer angemessenen Genauigkeit, um zu gewährleisten, daß die Formhohlräume die gleiche Tiefe, die gleiche Länge, den gleichen Abstand usw. aufweisen. Größenbeschränkungen, die durch Herstellungsschwierigkeiten an den Scheiben auftreten können, können wiederum die Fertigungsstraßengeschwindigkeit bei Prozessen beschränken, bei denen die Werkzeuge verwendet werden. Andere Nachteile dieser Konstruktion umfassen ein ungleichmäßiges Kühlen der Formhohlräume, Ungleichmäßigkeiten in den durch die gestapelten Platten hergestellten Produkten usw.
Im Dokument JP-A-55 158 925 ist eine Anordnung von zwei Rollen, von denen eine eine strukturierte Oberfläche aufweist, um einen thermoplastischen Harzfilm zwischen ihnen zu pressen, offenbart. Die strukturierte Oberfläche wird durch wendelförmiges Wickeln eines Drahts um eine Basisrolle hergestellt, wobei die Letztgenannte mit einem Muster von Freiräumen oder Hohlräumen an ihrer Oberfläche versehen ist, in die der Draht während des Pressens verformt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht Werkzeugrollen und Verfahren zur Verwendung der Werkzeugrollen zum Herstellen von Gegenständen bzw. Artikeln mit einer oder mehreren strukturierten Oberflächen vor. Die Werkzeugrollen weisen eine Außenfläche auf, die, wenn sie in Zusammenhang mit Materialien der geeigneten Viskosität oder Formbarkeit verwendet wird, eine strukturierte Oberfläche auf einem Artikel bilden kann. Weil die Werkzeuge in Rollenform hergestellt sind, können sie vorteilhaft in kontinuierlichen Herstellungsprozessen verwendet werden. Alternativ können diskrete Artikel unter Verwendung der Werkzeugrollen gemäß der vorliegenden Erfindung bearbeitet werden.
Mit "strukturierte Oberfläche" ist gemeint, daß eine Fläche des Artikels von einer planaren oder anderen glatten Fläche abweicht. Die strukturierte Oberfläche kann beispielsweise Vorsprünge aufweisen, die sich aus dieser erstrecken, wie beispielsweise Stiele, die in Zusammenhang mit mechanischen Befestigungselementen verwendet werden. Andere alternative strukturierte Oberflächen umfassen zusammenhängende Rillen oder Stege bzw. Grate, langgestreckte Strukturen usw., sind jedoch nicht auf diese beschränkt.
Die Werkzeugrollen gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen aus einer zylindrischen Basisrolle und sind mit einem oder mehreren zusammenhängenden Drähten in einem wendelförmigen Muster umwickelt. Die Drähte werden im wesentlichen verwendet, um eine strukturierte Oberfläche auf der Werkzeugrolle zu bilden, die das Negativ der strukturierten Oberfläche ist, die auf den unter Verwendung der Werkzeugrolle bearbeiteten Artikeln zu bilden ist. Gemäß einer Ausführungsform weist wenigstens einer der um die Basisrolle gewickelten Drähte mehrere darin ausgebildete Hohl- bzw. Freiräume auf, die, wenn sie in wendelförmigen Windungen um die Basisrolle gewickelt sind, mehrere Formhohlräume an der Außenfläche der Werkzeugrolle bilden. Alternativ kann das wendelförmige Muster von zwei oder mehr aufgewickelten Drähten zur Bildung einer zusammenhängenden wendelförmig strukturierten Oberfläche, beispielsweise einer wendelförmigen Rille oder von wendelförmigen Rillen, verwendet werden.
Vorteile der Werkzeugrollen umfassen die Fähigkeit zum Ersetzen der Drahtwicklungen auf der Basisrolle, falls der Außendurchmesser der Werkzeugrolle beschädigt oder abgenutzt wird, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Die Werkzeugrollen können auch, verglichen mit den Herstellungskosten von Werkzeugrollen, beispielsweise unter Verwendung gestapelter Platten oder eines direkten Bohrens der Formoberflächen, verhältnismäßig kostengünstig sein.
Ein weiterer Vorteil besteht in der Fähigkeit zum Steuern des Abstands zwischen Formhohlräumen entlang der Breite der Rolle durch Ändern der Dicke des um die Basisrolle gewickelten Drahts oder der um die Basisrolle gewickelten Drähte. Der Abstand der Formhohlräume um den Umfang kann durch Steuern des Abstands zwischen Freiräumen in dem um die Basisrolle gewickelten Draht oder den um die Basisrolle gewickelten Drähten auch unabhängig gesteuert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch Steuern des Profils oder des Querschnitts des Drahts oder der Drähte und der Form oder der Formen der im Draht gebildeten Freiräume auch Änderungen der Form oder der Formen der Formhohlräume erreicht werden können.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der verhältnismäßig kleinen thermischen Masse des um die Basisrolle gewickelten Drahts oder der um die Basisrolle gewickelten Drähte verglichen mit der thermischen Masse der Basisrolle. Dadurch kann die thermische Steuerung über die Formhohlräume verbessert werden, was zu entsprechenden Verbesserungen der Gleichmäßigkeit der unter Verwendung der Werkzeugrollen hergestellten Produkte führen kann.
Ein "Formhohlraum" kann, wie er in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eine beliebige Unstetigkeit in einer ansonsten glatten oder planaren Oberfläche sein, in die ein formbares Material während eines Formungsprozesses fließen kann. Gemäß manchen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Werkzeugrollen Formhohlräume mit hohen Seitenverhältnissen aufweisen, wie nachstehend definiert wird, wenngleich zu verstehen ist, daß ein Formhohlraum kein hohes Seitenverhältnis aufweisen muß.
Gemäß einem Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine Werkzeugrolle vor, welches eine zylindrische Basisrolle aufweist. Ein erster Draht, in dem mehrere erste Freiräume ausgebildet sind, ist in wendelförmigen Windungen um die Basisrolle gewickelt. Die mehreren ersten Freiräume in dem ersten Draht bilden mehrere erste Hohlräume, wobei jeder von den mehreren ersten Hohlräumen eine Öffnung an einer Außenfläche der Werkzeugrolle aufweist.
Gemäß einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden einer strukturierten Oberfläche auf einem Artikel unter Verwendung einer Werkzeugrolle vor, die eine zylindrische Basisrolle und einen ersten Draht mit mehreren darin ausgebildeten Freiräumen aufweist. Der erste Draht ist in wendelförmigen Windungen um die Basisrolle gewickelt, so daß die mehreren ersten Freiräume in dem ersten Draht mehrere erste Hohlräume bilden. Jeder von den mehreren ersten Hohlräumen bildet eine Öffnung an einer Außenfläche der Werkzeugrolle. Ein formbares Material wird in Kontakt mit der Außenfläche der Werkzeugrolle gebracht, um die strukturierte Oberfläche unter Verwendung der Außenfläche der Werkzeugrolle zu bilden, wobei das formbare Material wenigstens einige der ersten Hohlräume wenigstens teilweise füllt. Die so gebildete strukturierte Oberfläche wird daraufhin von der Außenfläche der Werkzeugrolle entfernt, wobei die strukturierte Oberfläche mehrere Vorsprünge aufweist, die den mehreren ersten Hohlräumen entsprechen.
Gemäß einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden einer strukturierten Oberfläche auf einem Artikel unter Verwendung einer Werkzeugrolle vor, die eine zylindrische Basisrolle und einen ersten und einen zweiten Draht, die in wendelförmigen Windungen um die Basisrolle gewickelt sind, aufweist. Die wendelförmigen Windungen des ersten und des zweiten Drahts alternieren über die Breite der Rolle. Die Höhe des ersten Drahts über der Basisrolle ist kleiner als die Höhe des zweiten Drahts über der Oberfläche der Basisrolle, so daß an einer Außenfläche der Werkzeugrolle eine wendelförmige Rille gebildet ist. Ein formbares Material wird in Kontakt mit der Außenfläche der Werkzeugrolle gebracht, um eine strukturierte Oberfläche an einem Artikel unter Verwendung der Außenfläche der Werkzeugrolle zu bilden, wobei das formbare Material wenigstens einen Abschnitt der durch den ersten und den zweiten Draht gebildeten wendelförmigen Rille wenigstens teilweise füllt. Die auf diese Weise gebildete strukturierte Oberfläche wird dann von der Werkzeugrolle entfernt und weist eine Reihe darin ausgebildeter Grate auf.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in Zusammenhang mit als Beispiel dienenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
1 eine Draufsicht einer Werkzeugrolle mit mehreren darin ausgebildeten Hohlräumen gemäß der vorliegenden Erfindung,
1A eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer unter Verwendung einer Werkzeugrolle gemäß der vorliegenden Erfindung gebildeten strukturierten Oberfläche,
2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Oberfläche der Werkzeugrolle aus 1, worin die darin ausgebildeten Hohlräume dargestellt sind,
3A eine vergrößerte Draufsicht der Oberfläche der Werkzeugrolle aus 1,
3B eine Schnittansicht von 3A entlang einer Linie 3B-3B,
3C eine Schnittansicht von 3A entlang einer Linie 3C-3C,
4 eine Draufsicht einer anderen Werkzeugrolle mit mehreren darin ausgebildeten Hohlräumen gemäß der vorliegenden Erfindung,
5 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Oberfläche der Werkzeugrolle aus 4, worin die darin ausgebildeten Hohlräume dargestellt sind,
die 6A–6E mehrere Formhohlraumgestalten,
7A eine Draufsicht einer Werkzeugrolle unter Einschluß von Umfangsbereichen mit verschiedenen Formhohlräumen,
7B eine Draufsicht einer Werkzeugrolle unter Einschluß eines Längsbereichs mit verschiedenen Formhohlräumen,
7C eine Draufsicht einer Werkzeugrolle unter Einschluß eines Logos mit verschiedenen Formhohlräumen im Bereich des Logos,
die 8A und 8B Formhohlräume mit unterschiedlichen Tiefen,
die 9A–9D verschiedene Drahtprofile zur Verwendung bei Werkzeugrollen gemäß der vorliegenden Erfindung,
10 ein Verfahren zum Herstellen einer Werkzeugrolle gemäß der vorliegenden Erfindung,
11 ein Verfahren zum Herstellen eines Films mit einer ein hohes Seitenverhältnis aufweisenden Topologie unter Verwendung einer Werkzeugrolle gemäß der vorliegenden Erfindung,
12 eine Schnittansicht der Vorrichtung aus 11 entlang einer Linie 12-12 in 11,
13 ein Verfahren zum Herstellen eines Films mit einer ein hohes Seitenverhältnis aufweisenden Topologie mit Vorsprüngen auf beiden Seiten unter Verwendung von zwei Werkzeugrollen gemäß der vorliegenden Erfindung,
14 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines Prozesses unter Verwendung einer anderen Werkzeugrolle gemäß der vorliegenden Erfindung,
15 eine Draufsicht einer anderen Werkzeugrolle mit langgestreckten, nicht zusammenhängenden, wendelförmigen Formhohlräumen,
16 eine perspektivische Ansicht eines unter Verwendung der Werkzeugrolle aus 15 hergestellten Films und
17 einen in einem Draht in Verbindung mit Beispiel 1 ausgebildeten Freiraum.
Detaillierte Beschreibung der veranschaulichenden
Ausführungsformen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht Werkzeugrollen und Verfahren zur Verwendung der Werkzeugrollen zum Herstellen von Artikeln mit einer oder mehreren strukturierten Flächen vor. Die Werkzeugrollen weisen eine Außenfläche auf, die, wenn sie in Zusammenhang mit Materialien geeigneter Viskosität oder Formbarkeit verwendet wird, eine strukturierte Oberfläche auf einem Artikel bilden kann. Weil die Werkzeuge in Rollenform hergestellt werden, können sie vorteilhaft bei kontinuierlichen Herstellungsprozessen zur Bildung beispielsweise von Filmen, Bahnen usw. verwendet werden. Alternativ können diskrete Artikel unter Verwendung der Werkzeugrollen gemäß der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden.
Die Werkzeugrollen gemäß der vorliegenden Erfindung können in ihren Außenflächen mehrere Hohlräume aufweisen, die, wenn sie in Zusammenhang mit Materialien der geeigneten Viskosität oder Formbarkeit verwendet werden, auf mindestens einer Fläche eines Films Vorsprünge oder Strukturen bilden können. Alternativ können zwei solche Rollen in Kombination verwendet werden, um einen Film zu bilden, bei dem beide Hauptflächen Vorsprünge oder Strukturen aufweisen.
1 zeigt eine als Beispiel dienende Ausführungsform einer Werkzeugrolle 10 gemäß der vorliegenden Erfindung mit mehreren Formhohlräumen 30, die in eine Außenfläche der Werkzeugrolle 10 geöffnet sind. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Teilausschnitts der Fläche der Werkzeugrolle 10 aus 1. Die Werkzeugrolle 10 weist vorzugsweise eine zylindrische Basisrolle 12 auf, um die ein oder mehrere Drähte in Form einer wendelförmigen Windung gewickelt sind, um eine Fläche zu erzeugen, in der mehrere Formhohlräume 30 ausgebildet sind.
Der Draht oder die Drähte, die um die Basisrolle 12 gewickelt sind, können durch einen geeigneten Mechanismus unter Einschluß von Klemmen, Schweißen, Klebstoffen usw., jedoch ohne Beschränkung auf diese, an ihrem Ort gehalten werden. Diese Techniken sind bei der Herstellung beispielsweise von Kardierrollen bekannt. Es sei beispielsweise auf US-A-4 272 865 (Schmolke) verwiesen.
Eine bevorzugte Anwendung, bei der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Werkzeugrollen in der Art der Werkzeugrolle 10 verwendet werden können, tritt bei der Herstellung strukturierter Oberflächen mit einer ein hohes Seitenverhältnis aufweisenden Topologie auf. In 1A ist ein als Beispiel dienender unter Verwendung der Werkzeugrolle 10 gebildeter Artikel 70 dargestellt, welcher eine strukturierte Oberfläche mit mehreren darauf ausgebildeten Vorsprüngen 72 aufweist. Die dargestellten Vorsprünge weisen eine Höhe h' über der Oberfläche 74 des Artikels 70 und eine in einer Ebene I, die im allgemeinen parallel zur Ebene der Oberfläche 74 verläuft, gemessene minimale Breite w' auf. Falls die Oberfläche 74 eine gewisse Krümmung aufweist, ist die Ebene I im Bereich des Vorsprungs 72 vorzugsweise tangential zur Oberfläche 74 orientiert.
Die Vorsprünge 72 können ein hohes Seitenverhältnis aufweisen, und die Werkzeugrollen gemäß der vorliegenden Erfindung können besonders vorteilhaft bei der Herstellung strukturierter Oberflächen mit ein hohes Seitenverhältnis aufweisenden Topologien sein. Mit "hohes Seitenverhältnis" ist gemeint, daß das Verhältnis zwischen der Höhe des Vorsprungs zu seiner minimalen Breite (h' : w') beispielsweise wenigstens etwa 0,5 : 1 beträgt oder größer ist, bevorzugter etwa 1 : 1 beträgt oder größer ist und noch bevorzugter wenigstens etwa 2 : 1 beträgt oder größer ist. Zusätzlich zu dem vorstehend definierten hohen Seitenverhältnis oder an Stelle von diesem kann es bevorzugt sein, daß die Vorsprungs- oder Strukturhöhe h' über der Hauptfläche des Artikels beispielsweise etwa 0,1 Millimeter beträgt oder größer ist, bevorzugter etwa 0,2 Millimeter beträgt oder größer ist und noch bevorzugter etwa 0,4 Millimeter beträgt oder größer ist.
Wenn der Artikel 70 in Bahn- oder Filmform bereitgestellt wird, kann er vorteilhafterweise zum Herstellen mechanischer Befestigungselemente (beispielsweise mechanischer Befestigungselemente vom Pilztyp oder vom Hakentyp) verwendet werden. Falls der Artikel 70 als ein mechanisches Befestigungselement verwendet wird, können die Vorsprünge 72 gemeinhin als Stiele bezeichnet werden, wenngleich die Verwendung dieses Begriffs den Verwendungsbereich für die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung hergestellten Artikel nicht einschränken soll.
Wenngleich die Artikel, die durch Werkzeugrollen und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, vorteilhaft als mechanische Befestigungselemente verwendet werden, können die Artikel eine Vielzahl anderer Anwendungen finden, und die Werkzeugrollen und Verfahren zur Verwendung der Werkzeugrollen zum Herstellen von Artikeln mit strukturierten Oberflächen gemäß der vorliegenden Erfindung sollten nicht auf das Gebiet mechanischer Befestigungselemente beschränkt sein. Die an der strukturierten Oberfläche eines Artikels gemäß der vorliegenden Erfindung geformten Vorsprünge können beispielsweise Vorteile beim Halten von Klebstoffen oder anderen Beschichtungen/-Materialien bieten, indem sie beispielsweise die Oberfläche des Films vergrößern. Die durch die Werkzeugrollen gebildeten strukturierten Oberflächen können auch für dekorative Zwecke, als Strömungskanäle, als den Fahrtwiderstand verringernde Strukturen, als Schleifunterlagen usw. verwendbar sein.
Die Wendelnatur der gewickelten Drähte ist in 1 dargestellt. Die Windungen sind vorzugsweise unter einem Wendelwinkel α in bezug auf eine Bezugslinie, die senkrecht zur Oberfläche der zylindrischen Werkzeugrolle 10 verläuft, orientiert. Infolge der Wendelnatur der gewickelten Drähte laufen sie von einem Ende zum entgegengesetzten Ende über die Oberfläche der Rolle 10. Der Wendelwinkel α ist vorzugsweise ziemlich klein und beträgt beispielsweise etwa 5 Grad oder weniger, wenngleich auch größere Wendelwinkel verwendet werden könnten. Kleinere Wendelwinkel führen typischerweise zu einem kleineren Abstand zwischen den Formhohlräumen entlang der Längsachse 11 der Werkzeugrolle 10.
Die dargestellte Werkzeugrolle 10 wird unter Verwendung einer zylindrischen Basisrolle 12 hergestellt, um die ein zusammenhängender Draht 20 mit mehreren Freiräumen 26 und ein Abstandsdraht 40 gewickelt sind. Das Ergebnis besteht darin, daß alternierende wendelförmige Windungen aus Draht 20 mit Freiräumen 26 und Abstandsdraht 40 über der Oberfläche der Werkzeugrolle 10 angeordnet sind. Die Innenkanten 24 des Drahts 20 und die Innenkante 44 des Abstandsdrahts 40 werden um die Basisrolle 12 gewickelt, während die Außenkanten 22 und 42 der Drähte 20 bzw. 40 von der Basisrolle 12 nach außen weisend gewickelt werden. Sowohl der Draht 20 als auch der Abstandsdraht 40 weisen vorzugsweise rechtwinklige Querschnitte auf, die mit einem gleichmäßigen Fortschreiten der wendelförmigen Windungen um die Rolle 10 kompatibel sind.
Die im Draht 20 bereitgestellten Freiräume 26 sind über die gesamte Breite des Drahts 20 ausgebildet und weisen entgegengesetzte Seitenwände 27 und 28 und einen Boden 29 auf, wie in 2 dargestellt ist. Es ist bevorzugt, jedoch nicht erforderlich, daß jeder der Freiräume 26 die gleiche Größe aufweist und daß die Freiräume 26 entlang dem Draht 20 gleichmäßig. beabstandet sind, um einen gleichmäßigen Abstand der sich ergebenden Formhohlräume 30 bereitzustellen. Es ist weiterhin bevorzugt, daß die Außenkante 22 der Windungen des Drahts 20 mit der Außenkante 42 des Abstandsdrahts 40 abschließt, so daß die Bereiche zwischen den Formhohlräumen 30 in der fertigen Werkzeugrolle 10 im wesentlichen glatt sind, d. h. zwischen den Drähten 20 und 40 keine erheblichen Diskontinuitäten auftreten.
Alternativ können sich die Außenkanten 22 und 42 der Drähte 20 bzw. 40 in verschiedenen Höhen über der Oberfläche der Basisrolle 12 befinden. Die Drähte 20 und 40 mit verschiedenen Höhen können der Oberfläche des hergestellten Artikels eine Struktur geben. Diese Struktur kann in Form langgestreckter Grate vorliegen, die beispielsweise die größeren Vorsprünge, die durch die Formhohlräume und/oder den Artikel selbst gebildet sind, verstärken können.
Der Draht 20 einschließlich der darin ausgebildeten Freiräume, die die gewünschten Formhohlräume 30 bereitstellen, wenn er, wie vorstehend erörtert wurde, um die Basisrolle 12 gewickelt ist, wird vorzugsweise unter Verwendung eines Drahts oder Streifens mit einem im wesentlichen rechtwinkligen bzw. rechteckigen Querschnitt hergestellt. Die Freiräume 26 werden vorzugsweise durch die Dicke des Drahts 20 bereitgestellt, so daß jeder Freiraum nur zwei Seiten 27 und 28, die entlang dem Draht 20 ausgerichtet sind, und einen Boden 29 aufweist. Der Draht 20 kann mit den Freiräumen 26 hergestellt werden, oder ein Draht mit einem im wesentlichen gleichmäßigen Profil kann zuerst hergestellt werden und dann durch eine geeignete Technik oder durch geeignete Techniken verarbeitet werden, um die Freiräume 26 darin zu bilden. Die geeignete Technik oder die geeigneten Techniken können Stanzen, Stempeln, herkömmliches maschinelles Bearbeiten, Laserbearbeiten, Bearbeiten durch elektronische Entladung, Wasserstrahlbearbeiten, Ätzen usw. umfassen, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Das Stanzen von Drähten zum Bereitstellen gewünschter Formen ist beispielsweise in der Kardierrollenindustrie bekannt. Es sei beispielsweise auf US-A-4 537 096 (Hollingsworth) verwiesen. Der Draht 20 kann aus einem beliebigen geeigneten Material oder aus beliebigen geeigneten Materialien hergestellt werden, wenngleich einige bevorzugte Materialien Stahl aufweisen und bevorzugtere Materialien Stähle mit einem mittleren bis niedrigen Kohlenstoffgehalt aufweisen.
Die in den 1 und 2 dargestellten Formhohlräume 30 haben entlang ihren Tiefen von der Öffnung an der Oberfläche der Werkzeugrolle 10 bis zu den Böden 29 der Formhohlräume im wesentlichen gleichmäßige Querschnittsflächen. 3A ist eine vergrößerte Draufsicht einiger Formhohlräume 30, und die 3B und 3C sind Schnittansichten der Formhohlräume 30 entlang den Linien 3B-3B bzw. 3C-3C. Die Formhohlräume 30 weisen entlang ihren Tiefen d im wesentlichen geradlinige tangentiale Querschnittsflächen auf. Mit tangential ist gemeint, daß der Querschnitt entlang einer Tangente zur Rolle 10 gebildet wird. Mit geradlinig ist gemeint, daß die Gestalt des Formhohlraums 30 im tangentialen Querschnitt durch im wesentlichen planare Seiten gebildet ist. Die dargestellten Hohlräume 30 sind auch im wesentlichen entlang dem Radius der Rolle 10 orientiert, wenngleich verschiedene Orientierungen möglich sind, wie nachstehend erörtert wird.
Die Seiten 27 und 28 der Formhohlräume 30 können parallel sein, oder sie können mit einem Abschrägungswinkel versehen sein, so daß die Seiten 27 und 28 an den Öffnungen der Formhohlräume 30 weiter auseinanderliegen als an den Böden der Formhohlräume 30 oder umgekehrt.
Ein Vorteil der Werkzeugrollen gemäß der vorliegenden Erfindung besteht in der Fähigkeit, die Höhe h des Bodens 29 der Formhohlräume 30 über der Boden- oder Innenfläche 24 des Drahts 20 genau zu steuern. Der Boden 29 des Formhohlraums 30 entspricht typischerweise dem Ende des Formhohlraums.
In jenen Fällen, in denen die Formhohlräume jedoch nicht gleichmäßige Formen aufweisen, in denen die Hohlräume beispielsweise in Form eines Hakens oder anderer Strukturen gebildet sind, ist der "Boden" des Formhohlraums als der Abschnitt des Formhohlraums definiert, welcher der Innenfläche des Drahts am nächsten liegt. Ein Beispiel eines solchen Formhohlraums ist in 6C dargestellt, wobei der Formhohlraum 230c einen Boden 229c aufweist, welcher der Innenkante 224c des Drahts 220c am nächsten liegt. Der Boden 229c befindet sich in einer Höhe h_c über der Innenkante 224c des Drahts 220c. Weiterhin ist die Tiefe d_c des Formhohlraums 230c auch durch den Boden 229c des Formhohlraums 230c definiert. Der Formhohlraum 230c weist ein Ende 231c auf, das von seinem Boden 229c unterscheidbar ist, weil sich der Formhohlraum 230c von der Innenkante 224c des Drahts 220c abwendet.
Die bevorzugten zylindrischen Basisrollen 12 sind präzisionsgeformt, so daß sie streng gesteuerte Auslaufbereiche bzw. Unrundheiten aufweisen. Diese Präzisionsunrundheit kann in Kombination mit einer streng gesteuerten Höhenabmessung h in den Drähten 20 Formhohlräume 30 mit, von der Außenfläche der Rolle 10 gemessen, im wesentlichen gleichmäßigen Tiefen d bereitstellen. Die Toleranzen, bis zu denen die Höhenabmessung h gesteuert werden kann, sind im allgemeinen verhältnismäßig klein, und die Unrundheit der Basisrolle 12 kann streng gesteuert werden, woraus sich eine insgesamt strenge Toleranzsteuerung der fertigen Werkzeugrolle 10 ergibt.
Die Formhohlräume 30 können auch in bezug auf das vorstehend in Zusammenhang mit den Vorsprüngen 72 am Artikel 70 in 1A erörterte Seitenverhältnis gekennzeichnet werden. Das Seitenverhältnis der Formhohlräume 30 wird auf der Grundlage der Tiefe d im Vergleich zur minimalen Breite w (siehe 3A) der Formhohlräume bestimmt, wobei die minimale Breite w in einer Ebene tangential zur Oberfläche der Basisrolle 12 gemessen wird. Mit anderen Worten ist das Seitenverhältnis der Formhohlräume 30 d : w, und es kann in Fällen, in denen die Werkzeugrolle 10 zum Herstellen von Artikeln mit einer strukturierten Oberfläche mit einer ein hohes Seitenverhältnis aufweisenden Topologie verwendet wird, bevorzugt sein, daß das Verhältnis d : w beispielsweise wenigstens etwa 0,5 : 1 beträgt oder größer ist, bevorzugter wenigstens etwa 1 : 1 beträgt oder größer ist und noch bevorzugter wenigstens etwa 2 : 1 beträgt oder größer ist. Zusätzlich zu dem vorstehend definierten hohen Seitenverhältnis oder an Stelle von diesem kann es bevorzugt sein, daß die Tiefe d des Form hohlraums beispielsweise etwa 0,1 Millimeter beträgt oder größer ist, bevorzugter etwa 0,2 Millimeter beträgt oder größer ist und noch bevorzugter etwa 0,4 Millimeter beträgt oder größer ist.
In den 3B und 3C ist ein weiteres Merkmal der Erfindung dargestellt, nämlich das Hinzufügen eines Überzugs oder einer anderen Beschichtung 50 auf der Rolle 10. Die dargestellte Beschichtung 50 befindet sich über der ganzen Außenfläche der Werkzeugrolle 10, also den Bereichen zwischen den Formhohlräumen 30 sowie auf der Innenfläche der Formhohlräume 30. Alternativ könnte sich die Beschichtung nur auf der Außenfläche der Rolle 10 befinden und an den Innenflächen der Hohlräume 30 nicht vorhanden sein. Gemäß einer anderen Alternative könnte sich die Beschichtung 50 nur in den Hohlräumen 30 und nicht an der Außenfläche der Rolle 10 befinden. Gemäß einer anderen Alternative könnte sich eine erste Beschichtung in den Formhohlräumen 30 befinden, und es könnte sich eine zweite Beschichtung an der Außenfläche der Werkzeugrolle 10 befinden.
Wenngleich die Beschichtung 50 als eine homogene Schicht dargestellt ist, ist zu verstehen, daß die Beschichtung 50 tatsächlich eine Kombination von einem oder mehreren vermischten oder in aufeinanderfolgenden Schichten aufgebrachten Materialien sein kann. Das in der Beschichtung 50 verwendete Material oder die darin verwendeten Materialien können abhängig von den gewünschten physikalischen Eigenschaften variieren. Einige physikalische Eigenschaften, die erwünscht sein können, umfassen eine erhöhte Abnutzungsbeständigkeit, gesteuerte Ablöseeigenschaften, eine gesteuerte Oberflächenrauhigkeit, die Verbindung. zwischen benachbarten Drahtwicklungen usw., sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Einige bevorzugte Materialien können Metallüberzüge, insbesondere ein elektrodenloser Nickelüberzug, Chrom usw., sein.
Die 4 und 5 zeigen eine andere der Erläuterung dienende Ausführungsform einer Werkzeugrolle 110 unter Ein schluß mehrerer Formhohlräume 130, die sich in eine Außenfläche der Werkzeugrolle 110 öffnen. Die Werkzeugrolle 110 weist vorzugsweise eine zylindrische Basisrolle 112 auf, um die ein oder mehrere Drähte in Form einer wendelförmigen Windung gewickelt sind, um eine Oberfläche zu bilden, in der mehrere Formhohlräume 130 ausgebildet sind.
Wie am besten in 5 dargestellt ist, können auf die Oberfläche der Werkzeugrolle 110 zwei Drähte 120 und 120' gewickelt werden, wobei jeder der Drähte darin ausgebildete Freiräume aufweist, welche, wenn sie gemeinsam gewickelt werden, die Formhohlräume 130 bilden. Ein Unterschied zwischen der Werkzeugrolle 110 und der Rolle 10 besteht darin, daß an Stelle eines Abstandsdrahts 40 mit einem im wesentlichen gleichmäßigen Querschnitt die Rolle 110 zwei Drähte aufweist, welche beide darin ausgebildete Freiräume aufweisen. Ein Vorteil der Konstruktion der Werkzeugrolle 110 besteht in der Möglichkeit, hochdichte Formhohlräume 130 bereitzustellen, also den Abstand zwischen den Formhohlräumen 130 zu verringern.
Wenngleich die dargestellte Werkzeugrolle 110 vorzugsweise unter Verwendung von zwei Drähten 120 und 120' bereitgestellt wird, ist zu verstehen, daß die Werkzeugrolle 110 auch unter Verwendung von drei oder mehr Drähten hergestellt werden könnte. Gemäß einer anderen Alternative könnte die Werkzeugrolle 110 mit einem einzigen Draht versehen werden, wobei die Bezugszahlen 120 und 120' in diesem Fall alternierende Wicklungen oder Windungen des Drahts bezeichnen würden. Eine solche Ausführungsform kann eine strengere Steuerung der Abmessungen des Drahts 120 und der Basisrolle 112 erfordern, um ein Ausrichten der in benachbarten Windungen des Drahts 120 ausgebildeten Formhohlräume 130 zu verhindern. Weil sich diese Steuerung möglicherweise schwer erreichen läßt, kann es bevorzugt sein, zwei oder mehr verschiedene Drähte zu verwenden, wie vorstehend erörtert wurde.
In den 6A–6E sind verschiedene Formen für Freiräume in den Drähten dargestellt, welche in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden und welche von den vorstehend erörterten im wesentlichen gleichmäßigen Freiräumen abweichen. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Werkzeugrollen besteht darin, daß die Freiräume mit verschiedenen Formen und/oder Orientierungen ausgebildet werden können, um Formhohlräume bereitzustellen, die auch verschiedene Formen und/oder Orientierungen aufweisen. Es sei bemerkt, daß die Verwendung von einigen dieser Formhohlräume zur Erzeugung eines fertigen Films mit gewünschten Vorsprüngen von der Auswahl der Harze und den Prozeßbedingungen abhängt.
Der Formhohlraum 230a in 6A weist eine veränderliche Querschnittsfläche auf, die von der Öffnung des Hohlraums 230a zum Boden 229a hin zunimmt. Die Seitenwände 227a und 228a divergieren in dieser Richtung. Daher weist der Hohlraum 230a in der Nähe des Bodens 229a des Hohlraums 230a eine tangentiale Querschnittsfläche auf, die größer ist als die tangentiale Querschnittsfläche an der Öffnung des Hohlraums 230a. Ein zusätzliches in 6A dargestelltes Merkmal besteht darin, daß der Boden 229a des Hohlraums 230a nicht planar ist, wobei die dargestellte Form gekrümmt ist.
6B zeigt einen Formhohlraum 230b, in dem die Seitenwände 227b und 228b den Hohlraum 230b mit veränderlicher Breite bilden, die an irgendeinem Punkt zwischen der Öffnung des Hohlraums 230b und dem Boden 229b des Hohlraums 230b ein Maximum erreicht. Bei dem dargestellten Hohlraum 230b ist die Breite w" in der Nähe des Mittelpunkts der Tiefe des Hohlraums 230b maximal. Falls die Dicke des Drahts, in dem der Hohlraum 230b ausgebildet ist, über die Tiefe des Hohlraums konstant ist, kann der Formhohlraum 230b als eine tangentiale Querschnittsfläche an seiner Öffnung aufweisend, die kleiner ist als die tangentiale Querschnittsfläche des Hohlraums 230b an irgendeinem Punkt unterhalb seiner Öffnung, beschrieben werden.
6C zeigt eine weitere Variation der Form der Formhohlräume, welche in Werkzeugrollen gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden können. Der dargestellte Formhohlraum 230c hat eine gekrümmte Gestalt in Form eines Hakens. Formhohlräume mit dieser Form können zum direkten Bilden von Hakenstreifen ohne eine erhebliche zusätzliche Bearbeitung verwendet werden. 6D zeigt einen Formhohlraum 230d einschließlich einer doppelendigen Hakenform, die auch durch Werkzeugrollen gemäß der vorliegenden Erfindung geformt werden kann.
6E zeigt eine Variation der Orientierung von in Werkzeugrollen gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellten Formhohlräumen. Der Formhohlraum 230e ist mit einer Achse 231e versehen, die unter einem Winkel zum Radius r der Werkzeugrolle (nicht dargestellt) orientiert ist.
7A zeigt eine Werkzeugrolle 310 in einer Draufsicht, die Bereiche 314 und 316 aufweist, in denen sich die Formhohlräume unterscheiden. Gemäß einem Beispiel können die Bereiche 314 mit Formhohlräumen versehen sein, während die Bereiche 316 von Formhohlräumen im wesentlichen frei sein können. Gemäß einem anderen Beispiel können die Formhohlräume in den verschiedenen Bereichen 314 und 316 verschieden sein. Die Bereiche 314 und 316 an der Werkzeugrolle 310 sind als eine im wesentlichen gleichmäßige Breite aufweisend dargestellt und erstrecken sich vorzugsweise auch um den Umfang der Rolle 310.
Die Werkzeugrollen gemäß der vorliegenden Erfindung können alternativ Bereiche aufweisen, in denen sich die Formhohlräume unterscheiden, welche nicht gleichmäßig geformt sind und/oder welche sich nicht um den Umfang der Rolle 310 erstrecken. Eine solche Variation ist in 7B dargestellt, bei der der Bereich 314' entlang der Breite der Werkzeugrolle 310 orientiert ist und auf beiden Seiten von Bereichen 316' umgeben ist. Dabei bildet der Bereich 314' einen Längsstreifen entlang der Rolle 310'.
7C zeigt eine andere Werkzeugrolle 310", die auch Bereiche 314" aufweist, welche entweder keine Formhohlräume aufweisen oder welche Formhohlräume aufweisen, die sich in irgendeiner Hinsicht von den Formhohlräumen im Bereich 316" unterscheiden. Die Bereiche 314" können eine beliebige Form, beispielsweise, wie dargestellt, ein Logo annehmen. Verfahren zum Herstellen der Werkzeugrolle 310" können das Herstellen einer Werkzeugrolle einschließen, die gleichmäßig geformte Formhohlräume aufweist, welche gleichmäßig über ihre gesamte Oberfläche verteilt sind. Nach dem Herstellen der Werkzeugrolle 310" mit gleichmäßigen Formhohlräumen können ein oder mehrere Abschnitte (beispielsweise die Bereiche 314") der Oberfläche der Werkzeugrolle 310" maskiert werden, während der andere Abschnitt oder die anderen Abschnitte (beispielsweise der Bereich 316") bearbeitet werden, um die Formhohlräume innerhalb der Bereiche 314" von den Formhohlräumen innerhalb des Bereichs 316" abzusetzen. Ein Verfahren zum Verarbeiten der Werkzeugrolle 310" könnte beispielsweise das teilweise oder vollständige Auffüllen der Formhohlräume in dem unmaskierten Bereich aufweisen. Die zum Füllen verwendeten Materialien könnten Lötmittel, Kunststoffe, Wachs usw. einschließen. Die verwendeten Materialien könnten permanent innerhalb der Formhohlräume angeordnet werden, oder sie können entfernbar sein, um die Wiederverwendung der Werkzeugrolle, beispielsweise mit einem anderen Logo, zu ermöglichen.
Beispiele unterschiedlicher Formhohlräume 330a und 330b sind in den 8A und 8B dargestellt, wobei die Tiefen der Formhohlräume 330a und 330b verschieden sind. Der Formhohlraum 330a hat eine Tiefe d_a, die größer ist als die Tiefe d_b des Formhohlraums 330b. Wenngleich eine Tiefendifferenz dargestellt ist, können an Stelle der Tiefenvariationen oder zusätzlich zu diesen auch andere Variationen bereitgestellt werden, beispielsweise Variationen der Form, der Querschnittsgröße, der Orientierung usw., wie vorstehend erörtert wurde. Weiterhin können die Formhohlräume innerhalb jedes Bereichs 314 und/oder 316 eine gleichmäßige Form, einen gleichmäßigen Abstand, eine gleichmäßige Größe, eine gleichmäßige Tiefe und eine gleichmäßige Orientierung aufweisen, oder ein oder mehrere dieser Merkmale können sich innerhalb des Bereichs ändern.
In den 9A–9D sind weitere Variationen der zum Bilden der Formhohlräume in den Werkzeugrollen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Drähte dargestellt. Die Querschnitte werden quer zu den Längen der Drähte gebildet, und der Draht 420a ist in 9A mit einem Querschnitt mit einer umgekehrten L-Form versehen, während der Abstandsdraht 440a in den zwischen aneinandergrenzenden Drähten 420a ausgebildeten Raum paßt.
In 9B weisen die Drähte 420b und 440b zusammenpassende Profile auf. Zusätzlich weisen die Drähte 440b eine nichtplanare Oberfläche 442b auf, die gemäß der dargestellten Ausführungsform eine gekrümmte Oberfläche ist. Wenn die Drähte 420b Freiräume aufweisen, welche die gewünschten Formhohlräume (nicht dargestellt) bilden, kann durch das Versehen der Außenfläche 442b der Drähte 440b mit einer Krümmung auf beiden Seiten der Basis jedes von den Formhohlräumen gebildeten Vorsprungs eine entsprechende Ausrundung erzeugt werden. Diese Ausrundung kann die Stärke des Vorsprungs verbessern, also seinen Widerstand gegenüber einer Auslenkung erhöhen. Zusätzlich kann die Krümmung auch eine Grate bzw. Stege aufweisende Struktur zwischen Vorsprüngen erzeugen, welche dem Film oder Artikel eine zusätzliche Steifigkeit verleihen kann.
Die Drähte 420c und 440c in 9C zeigen Drähte mit zusammenpassenden Profilen, welche auch sich verjüngende Seiten aufweisen. 9D zeigt Drähte 420d und 440d mit verschachtelten Profilen.
Bei Verwendung eines Drahts oder von Drähten, die zusammenpassende oder verschachtelte Profile aufweisen, wie in den 9A– 9D dargestellt ist, kann die Integrität der Wicklungen an der Basisrolle verbessert werden, wenn die fertigen Werkzeugrollen während der Herstellung und der Verwendung als ein Formwerkzeug Beanspruchungen ausgesetzt werden. Es können innerhalb des Schutzumfangs der vor liegenden Erfindung viele andere Variationen der Drahtprofile ins Auge gefaßt werden.
10 zeigt einen Prozeß zum Bewickeln einer Basisrolle 512 mit einem Draht 420, der Freiräume 526 aufweist, und einem Abstandsdraht 540, um eine Werkzeugrolle 510 bereitzustellen, welche mehrere Formhohlräume 530 aufweist. Es ist zu verstehen, daß mehr als zwei Drähte zusammen aufgewickelt werden können, falls dies erwünscht ist.
Bei den Verfahren zum Herstellen von Werkzeugrollen gemäß der vorliegenden Erfindung kann es wünschenswert sein, die Außenfläche der Werkzeugrolle 510 nach dem Wickeln der Drähte 520 und 540 herauszuarbeiten, um eine verbesserte Unrundheit (Runout) der fertigen Werkzeugrolle 510 bereitzustellen. Weil der bevorzugte Draht 520 Freiräume 526 aufweist, die mit einer festen Höhe über dem Innenrand 524 des Drahts versehen sind (siehe die 1–3C und die vorstehende begleitende Beschreibung), kann das Bearbeiten der Außenfläche der Werkzeugrolle 510 nach dem Wickeln die Gleichmäßigkeit der Tiefe der Formhohlräume 530 verbessern.
Es kann auch wünschenswert sein, jegliche Grate zu entfernen, die beispielsweise beim Drahtstanzen und/oder Bearbeiten der gewickelten Rolle verbleiben, indem die Rolle mit Natriumbicarbonat (Backpulver) oder einem ähnlichen Material bestrahlt wird. Die fertige Werkzeugrolle 510 kann auch bearbeitet werden, um eine gewünschte Oberflächenbeschaffenheit innerhalb der Formhohlräume 530 und/oder an der Außenfläche der Werkzeugrolle 510 zwischen den Formhohlräumen 530 bereitzustellen. Es kann beispielsweise wünschenswert sein, die Oberflächen der Werkzeugrolle 510 chemisch zu ätzen, sandzustrahlen, zu überziehen, zu beschichten oder auf andere Weise zu modifizieren.
11 veranschaulicht einen Prozeß, in dem eine Werkzeugrolle 610 gemäß der vorliegenden Erfindung zur Bildung eines Films mit einer ein hohes Seitenverhältnis aufweisenden Topologie verwendet werden kann. Ein formbares Material 660 kann, beispielsweise durch Extrusion oder Gieß formen, auf die Oberfläche der Werkzeugrolle 610 aufgebracht werden, um einen Film 670 zu erzeugen, der Vorsprünge 672 aufweist, welche Replikationen der Formhohlräume in der Werkzeugrolle 610 sind. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen ist das Haften des Materials 660 an der Werkzeugrolle 610 kleiner als die Kohäsion innerhalb des Materials 660 zur Zeit des Entfernens von der Werkzeugrolle 610. Es kann weiterhin bevorzugt sein, daß die Haftung des Materials 660 an der Werkzeugrolle die Zugfestigkeit des zum Bilden der Werkzeugrolle 610 verwendeten Drahts oder der zum Bilden der Werkzeugrolle 610 verwendeten Drähte nicht übersteigt.
Es kann im wesentlichen jedes formbare Material in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es kann bevorzugt sein, daß das formbare Material ein orientierbares thermoplastisches Harz ist. Orientierbare thermoplastische Harze, die extrusionsgeformt werden können und verwendbar sein sollten, umfassen Polyester, wie Poly(ethylenterephthalat), Polyamide, wie Nylon, Poly(styrolacrylnitril), Poly(acrylnitril-butadien-styrol), Polyolefine, wie Polypropylen, und weichgemachtes Polyvinylchlorid. Ein bevorzugtes thermoplastisches Harz ist ein Impaktcopolymer von Polypropylen und Polyethylen mit 17,5% Polyethylen und einem Schmelzflußindex von 30, das als SRD7-587 von Union Carbide, Danbury, Connecticut, erhältlich ist. Das thermoplastische Harz kann auch Mischungen einschließlich Polyethylen- und Polypropylenmischungen, Copolymere, wie Polypropylen-Polyethylen-Copolymere, oder diese Materialien, die in mehreren Schichten oder in alternierenden Zonen koextrudiert sind, aufweisen. Zusätze, wie Weichmacher, Füllstoffe, Pigmente, Farbstoffe, Antioxidantien, Lösemittel und dergleichen, können auch in das formbare Material aufgenommen werden.
Gemäß einem bevorzugten Prozeß wird das Material 660 durch Extrusion in einen von der Werkzeugrolle 610 und Hilfsrolle 680 gebildeten Spalt bereitgestellt. Die Hilfsrolle 680 liefert vorzugsweise einen gewissen Druck, um das Drängen des formbaren Materials 660 in die in der Werkzeugrolle 610 ausgebildeten Formhohlräume 630 (siehe 12) zu unterstützen. Alternativ kann die Hilfsrolle 680 durch eine beliebige sich kontinuierlich bewegende Fläche ersetzt werden, die dabei helfen kann, das Formmaterial in die Formhohlräume in der Werkzeugrolle 610 zu drängen.
Das Innere der Werkzeugrolle 610 kann mit einem Vakuum versehen werden, um das Entfernen von Luft zu unterstützen, welche ansonsten das vollständige Füllen der Formhohlräume stören kann. In vielen Fällen kann jedoch kein Vakuum zugeführt werden, weil die Luft innerhalb der Formhohlräume zwischen den Drähten, die zum Herstellen der Werkzeugrolle 610 verwendet werden, entweicht. Mit anderen Worten kann der Prozeß bei Nichtvorhandensein eines Vakuums ausgeführt werden.
Es kann auch wünschenswert sein, in der Werkzeugrolle 610 oder der Hilfsrolle 680 oder in beiden von ihnen eine gewisse thermische Regelung bereitzustellen. Abhängig von den Prozeßbedingungen, den Temperaturen des formbaren Materials 660, den Eigenschaften des formbaren Materials 660 usw., kann es erwünscht sein, entweder eine oder beide Rollen 610 und 680 zu erwärmen, eine oder beide Rollen 610 und 680 zu kühlen oder eine der Rollen zu erwärmen und die andere Rolle zu kühlen.
Nachdem das Material 660 in die Formhohlräume in der Werkzeugrolle 610 gedrängt wurde und sich ausreichend abgekühlt hat, um einen Film 670 mit Vorsprüngen 672 zu bilden, welche die gewünschte Form oder die gewünschten Formen beibehalten können, wird es von der Werkzeugrolle 610 zur Weiterverarbeitung abgenommen, oder der Film 670 kann zu Rollen gewickelt werden. Falls beispielsweise mechanische Befestigungsstreifen erwünscht sind, kann der Film 674 in eine Station oder in Stationen geleitet werden, um die Vorsprünge zu modifizieren, Klebstoffe aufzubringen und eine andere Verarbeitung auszuführen, wie beispielsweise in US-A-5 845 375 (Miller u. a.), US-A-5 077 870 (Melbye u. a.) und den PCT-Veröffentlichungen WO 98/57565, WO 98/57564, WO 98/30381 und WO 98/14086 erörtert ist.
Es kann erwünscht sein, ein oder mehrere zusätzliche Materialien in den von der Werkzeugrolle 610 und der Hilfsrolle 680 gebildeten Spalt zu leiten, um den Film 670 mit den gewünschten zusätzlichen Eigenschaften zu versehen. Beispielsweise kann eine gewebte oder nichtgewebte Bahn bzw. Vlies in den Spalt geleitet werden. Alternativ kann der Film 670 mit einer oder mehreren zusätzlichen Schichten, beispielsweise durch Wärme, Klebstoffe, Koextrusion usw., laminiert werden.
12 ist eine Schnittansicht der Vorrichtung aus 11 entlang einer Linie 12-12 in 11. Die Werkzeugrolle 610 weist mit dem formbaren Material gefüllte Formhohlräume 630 auf, um Vorsprünge 672 auf dem Film 670 zu bilden. Weiterhin sind in 12 zwei auf der Hilfsrolle 680 ausgebildete angehobene Strukturen 682 dargestellt. Ein Vorteil der angehobenen Strukturen 682 auf der dargestellten Hilfsrolle 680 besteht darin, daß jede der angehobenen Strukturen eine geschwächte Linie oder Zone erzeugen kann, entlang derer der Film 670 getrennt werden kann. Die angehobenen Strukturen 682 sind jedoch wahlweise vorgesehen und müssen nicht in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bereitgestellt werden.
Ein anderes optionales Merkmal, das in die Hilfsrolle 680 aufgenommen werden kann, besteht im Aufnehmen irgendeiner Struktur an der Oberfläche der Rolle 680 zum Vergrößern der Oberfläche. Die vergrößerte Oberfläche an der Hilfsrolle 680 kann die Oberfläche auf dem Film 670 vergrößern, wodurch die Haftung jeglicher Klebstoffe verbessert wird, die auf der Rückseite 674 des Films 670 bereitgestellt werden. Ein Beispiel einer nützlichen Struktur könnte ein mikro-geprägtes Muster linearer Prismen im Bereich von etwa 400 Zeilen je Zoll (160 Zeilen je Zentimeter) sein.
13 zeigt einen anderen Prozeß, bei dem mit Draht bewickelte Werkzeugrollen mit darin ausgebildeten Form hohlräumen verwendet werden. Der dargestellte Prozeß bildet einen Film 770 mit Vorsprüngen 772, die von einer Seite des Films 770 ausgehen, und mit Vorsprüngen 772', die von der entgegengesetzten Seite des Films 770 ausgehen. Der doppelseitige Film 770 wird durch entgegengesetzte Werkzeugrollen 710 und 710' gebildet, welche beide darin ausgebildete Formhohlräume aufweisen. Die Vorsprünge 772 und 772' können hinsichtlich der Größe, der Form, der Orientierung usw. die gleichen Eigenschaften aufweisen, oder sie können verschieden sein.
14 ist eine vergrößerte Schnittansicht der Grenzfläche einer anderen Werkzeugrolle 810 mit einer Hilfsrolle 880. Ein Film 870 befindet sich zwischen den beiden Rollen 810 und 880, und eine Fläche des Films 870 ist mit einer Reihe darauf ausgebildeter im wesentlichen zusammenhängender Grate versehen, die im wesentlichen Negativbilder der Struktur auf der Werkzeugrolle 810 sind.
Die Werkzeugrolle 810 ist durch Drähte 820 und 840 gebildet, die wendelförmig um eine Basisrolle 812 gewickelt sind. Der Draht 840 hat ein höheres Profil als der andere Draht 820, was zu einer Werkzeugrolle 810 führt, auf der zwischen Wicklungen des Drahts 840 Rillen ausgebildet sind. Wenngleich die Drähte 820 und 840 als im wesentlichen rechtwinklige Profile aufweisend dargestellt sind, könnten sie alternativ mit einer anderen Form versehen werden, wobei der Film 870 in diesem Fall auch mit einer anderen Form als der in 14 dargestellten versehen werden würde. Es ist weiterhin zu verstehen, daß zwei Werkzeugrollen in einem ähnlichen Prozeß wie dem in 13 dargestellten verwendet werden könnten, um einen Film mit Strukturen oder Vorsprüngen auf beiden Hauptseiten des Films zu bilden.
Wenngleich die Rillen, die durch die um die Werkzeugrolle 810 aus 14 gewickelten Drähte 820 und 840 gebildet sind, um den Umfang der Rolle 810 zusammenhängend ausgebildet sein können, können sie auch unzusammenhängend ausgebildet sein. 15 ist eine Draufsicht einer Werkzeugrolle 810' mit Formhohlräumen 830', die sich über eine gewisse Länge um die Werkzeugrolle 810' erstrecken, jedoch nicht in einer zusammenhängenden wendelförmigen Rille ausgebildet sind, wie vorstehend mit Bezug auf 14 erörtert wurde. Die langgestreckten Formhohlräume 830' können durch Drähte gebildet sein, welche darin ausgebildete Freiräume aufweisen, wie vorstehend erörtert wurde. Die Freiräume in den bei der Rolle 810' verwendeten Drähten erstrecken sich jedoch über längere Strecken entlang den Drähten.
Diese langgestreckten Freiräume können eine gleichmäßige Größe aufweisen und so beabstandet sein, wie bei den vorstehenden Werkzeugrollen gezeigt wurde, oder sie können eine ungleichmäßige Größe aufweisen und ungleichmäßig beabstandet sein. Die Werkzeugrolle 810' weist wie dargestellt einen Draht mit Freiräumen auf, die eine ungleichmäßige Größe aufweisen und ungleichmäßig beabstandet sind und welcher, wenn er um eine Basisrolle gewickelt wird, Formhohlräume 830' mit einer ungleichmäßigen Größe und ungleichmäßigen Abständen bildet.
Der durch eine Rolle in der Art der Werkzeugrolle 810' erzeugte Film weist langgestreckte Vorsprünge 872' auf, wie in 16 dargestellt ist. Weil die Formhohlräume 830' in der Rolle 810' eine ungleichmäßige Größe und ungleichmäßige Abstände aufweisen, weisen die langgestreckten Vorsprünge 872' auch ungleichmäßige Größen und ungleichmäßige Abstände auf.
Beispiele
Wenigstens einige der Vorteile der Erfindung werden durch das folgende Beispiel erläutert. Die in diesem Beispiel erwähnten bestimmten Materialien und Beträge sowie andere Bedingungen und Einzelheiten sind als auf dem Fachgebiet in weitem Sinne anwendbar zu interpretieren und sollten nicht als die Erfindung übermäßig einschränkend ausgelegt werden.
Eine mit Draht bewickelte Werkzeugrolle wurde unter Verwendung eines 0,007 Zoll × 0,059 Zoll (0,178 Millimeter (mm) × 1,49 mm) messenden zusammenhängenden rechteckigen Drahtbands hergestellt. Das Band war ein von Hollingsworth on Wheels, Inc., Greenville, South Carolina gestanzter Draht. In 17 ist die allgemeine Form der in den Draht 920 gestanzten Freiräume 926 dargestellt. Die Freiräume 926 wurden entlang dem Draht mit einer Beabstandung von vierzig Freiräumen 926 je Zoll (etwa 16 Freiräume je Zentimeter) gestanzt. Die Breite w der Öffnung betrug etwa 0,0068 Zoll (0, 172 mm). Die Seiten 927 und 928 des Freiraums 926 wurden mit einem von der oberen Fläche 922 des Drahts 920 gemessenen Winkel ϕ von etwa 97 Grad gebildet. Die in 17 dargestellte Gesamttiefe d " der Freiräume 926 betrug etwa 0,0215 Zoll (0,546 mm).
Der Draht 920 wurde dann mit einem Abstandsdraht mit einem rechtwinkligen Profil von 0,018 Zoll mal 0,059 Zoll (0,457 mm mal 1,49 mm) gewickelt. Die Basisrolle, auf die die Drähte gewickelt wurden, wies einen Durchmesser von 12 Zoll (305 mm) und eine 14 Zoll (356 mm) breite Stirnfläche auf. Das Wickeln wurde auch von Hollingsworth on Wheels, Inc. unter Verwendung in der Kardierrollenindustrie bekannter Techniken ausgeführt.
Die gewickelte Werkzeugrolle wurde dann zusammen mit einer Hilfsrolle zum Drängen von Harz in die Formhohlräume in einer Extrusionsmitführung angeordnet, wie beispielsweise in 11 dargestellt ist. Die Hilfsrolle wurde mit einer Durometerhärte von 55 mit Silikon beschichtet.
Ein 2 Zoll (50,8 mm) messender Einzelschneckenextruder wurde in Zusammenhang mit einer 14 Zoll (356 mm) breiten Schlitzdüse verwendet. Das verwendete Harz war von Union Carbide Company, Danbury, Connecticut, erhältliches thermoplastisches Polypropylen SRD7-587.
Das Harz wurde bei einer Temperatur von 450 Grad Fahrenheit (232 Grad Celsius) aus der Düse in die von der Werkzeugrolle und der Silikon-Hilfsrolle gebildete Spaltmitnahme, die bei einer Geschwindigkeit von 35 Fuß je Minute (10,6 Meter je Minute) und einem Spaltdruck von 60 Pfund je linearem Zoll (105 Newton je Zentimeter (N/cm)) arbeitete, extrudiert. Das vollständige Füllen der Formhohlräume wurde bei einer Abziehkraft für den gebildeten Film von etwa 2,5 Pfund je linearem Zoll (4,4 N/cm) für eine 10 Zoll (254 mm) breite Bahn erhalten.
Die zum Herstellen der Werkzeugrolle verwendete Basisrolle war eine Kühlrolle, und die Oberflächentemperatur der Werkzeugrolle wurde zwischen 105 und 110 Grad Fahrenheit (40,5 und 43,3 Grad Celsius) gehalten, während die Oberflächentemperatur der Hilfsrolle bei etwa 150 Grad Fahrenheit (65 Grad Celsius) gehalten wurde.
Unter Verwendung der vorstehenden Prozeßbedingungen wurde ein Film mit einer ein hohes Seitenverhältnis aufweisenden Topologie mit einem Grundgewicht von 150 Gramm je Quadratmeter hergestellt. Der Film, von dem aus sich die Vorsprünge erstrecken, hatte eine Dicke von etwa 110 Mikrometer.
Fachleuten werden verschiedene Modifikationen und Abänderungen dieser Erfindung einfallen, ohne vom Schutzumfang der anliegenden Ansprüche abzuweichen, und es ist zu verstehen, daß die Erfindung nicht in unzulässiger Weise auf die hier dargelegten erläuternden Ausführungsformen beschränkt werden sollte.

Claims

Werkzeugrolle (10), welche aufweist: eine zylindrische Basisrolle (12); einen ersten Draht (20), der mehrere erste darin ausgebildete Freiräume (26) aufweist, wobei der erste Draht in wendelförmigen Windungen um die Basisrolle gewickelt ist, wobei die mehreren ersten Freiräume in dem ersten Draht mehrere erste Hohlräume (30) bilden, wobei jeder Hohlraum von den mehreren ersten Hohlräumen eine Öffnung an einer Außenfläche der Werkzeugrolle aufweist.
Werkzeugrolle nach Anspruch 1, wobei der erste Draht eine Innenkante (24) und eine Außenkante (22) aufweist, und wobei der Abstand zwischen der Innenkante des ersten Drahts und einem Boden jedes Hohlraums von den mehreren ersten Hohlräumen im wesentlichen konstant ist.
Werkzeugrolle nach Anspruch 1, wobei wenigstens einige der ersten Hohlräume (30) von den mehreren ersten Hohlräumen geradlinige tangentiale Querschnitte aufweisen.
Werkzeugrolle nach Anspruch 1, wobei jeder Hohlraum von den mehreren ersten Hohlräumen an der Öffnung des Hohlraums eine tangentiale Querschnittsfläche aufweist, die größer ist als die tangentiale Querschnittsfläche in der Nähe eines Bodens des Hohlraums.
Werkzeugrolle nach Anspruch 1, wobei jeder Hohlraum von den mehreren ersten Hohlräumen an der Öffnung des Hohlraums eine tangentiale Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als die tangentiale Querschnittsfläche des Hohlraums an irgendeinem Punkt zwischen der Öffnung des Hohlraums und der Basisrolle.
Werkzeugrolle nach Anspruch 1, wobei wenigstens einige der Hohlräume (30) von den mehreren ersten Hohlräumen einen Boden aufweisen, der von einem Ende wenigstens einiger Hohlräume abgesetzt ist.
Werkzeugrolle nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein Bereich der Außenfläche der Werkzeugrolle im wesentlichen frei von Hohlräumen ist.
Werkzeugrolle nach Anspruch 1, welche weiter einen zweiten Draht (40) aufweist, der um die Basisrolle gewickelt ist, wobei sich der zweite Draht zwischen benachbarten wendelförmigen Windungen des ersten Drahts befindet.
Werkzeugrolle nach Anspruch 8, wobei der zweite Draht eine Außenkante (42) aufweist und wobei die Außenkante des zweiten Drahts weiterhin mit der Außenkante des ersten Drahts abschließt.
Werkzeugrolle nach Anspruch 8, wobei der zweite Draht mehrere darin ausgebildete zweite Freiräume aufweist, wobei die mehreren zweiten Freiräume in dem zweiten Draht mehrere zweite Hohlräume bilden und jeder zweite Hohlraum von den mehreren zweiten Hohlräumen eine Öffnung an einer Außenfläche der Werkzeugrolle aufweist.
Werkzeugrolle (10) mit einer zylindrischen Basisrolle (12), einem in wendelförmigen Windungen um die Basisrolle gewickelten ersten Draht (20) und wenigstens einem in wendelförmigen Windungen um die Basisrolle gewickelten zweiten Draht (40), wobei durch die wendelförmigen Windungen der zwei Drähte eine strukturierte Oberfläche gebildet ist.
Verfahren zum Bilden einer strukturierten Oberfläche auf einem extrudierten Film, welches die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen der Werkzeugrolle (10) nach Anspruch 11, Extrudieren eines geschmolzenen thermoplastischen Materials auf die Außenfläche der Werkzeugrolle zur Bildung der strukturierten Oberfläche auf dem auf der Werkzeugrolle gebildeten Film unter Verwendung der Außenfläche der Werkzeugrolle, wobei das thermoplastische Material wenigstens einen Abschnitt der von den Drähten gebildeten strukturierten Oberfläche wenigstens teilweise füllt, um die strukturierte Filmoberfläche zu bilden, und Entfernen der strukturierten Oberfläche von der Werkzeugrolle.
Verfahren zum Bilden einer strukturierten Oberfläche auf einem Artikel, welches die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen der Werkzeugrolle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, In-Kontakt-Bringen eines formbaren Materials mit der Außenfläche der Werkzeugrolle zur Bildung der strukturierten Oberfläche unter Verwendung der Außenfläche der Werkzeugrolle, wobei das formbare Material wenigstens einige der Hohlräume wenigstens teilweise füllt, und Entfernen der strukturierten Oberfläche von der Außenfläche der Werkzeugrolle, wobei die strukturierte Oberfläche mehrere Vorsprünge aufweist, die den mehreren ersten Hohlräumen entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die strukturierte Oberfläche durch Stiele gebildet wird, die in Zusammenhang mit mechanischen Befestigungselementen und/oder als mechanische Befestigungselemente verwendet werden.