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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Verfahren zum Prägen
und Aufbringen von Klebstoff auf Dünnschichtbahnen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Dreidimensionale flächige Materialien,
die eine dünne
Schicht aus druckempfindlichen Klebstoff enthalten, der gegen einen
unbeabsichtigten Kontakt geschützt
ist, sowie Verfahren und Vorrichtungen für ihre Herstellung wurden entwickelt
und sind in den übertragenen
US-Patenten Nr. 5.662.758, das am 2. September 1997 an Hamilton
und McGuire erteilt wurde, mit dem Titel "Composite Material Releasably Sealable
to a Target Surface When Pressed Thereagainst and Method of Making" und Nr. 5.871.607,
das am 16. Februar 1999 an Hamilton und McGuire erteilt wurde, mit
dem Titel "Material
Having A Substance Protected by Deformable Standoffs and Method
of Making" sowie
in den übertragenen
anhängigen US-Patentanmeldungen
Nr. 08/745.339 (zugelassen), die am B. November 1996 im Namen von
McGuire, Tweddell und Hamilton eingereicht wurde, mit dem Titel "Three-Dimensional,
Nesting-Resistant Sheet Materials and Method and Apparatus for Making
Same" und Nr. 08/745.340,
die am 8. November 1996 im Namen von Hamilton und McGuire eingereicht
wurde, mit dem Titel "Improved
Storage Wrap Materials" genau
beschrieben, die in dieser Beschreibung durch Literaturhinweis eingefügt sind.
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Während
die Verfahren und die Ausrüstung zum
Herstellen dieser Materialien, die in diesen Anmeldungen/Patenten
beschrieben sind, für
die Herstellung dieser Materialien in einem verhältnismäßig kleinen Umfang geeignet
sind, hat sich herausgestellt, dass die Verfahren und die Ausrüstung die
Herstellungsrate durch ihre Konstruktion einschränken. Anders ausgedrückt, die
maximale Geschwindigkeit, bei der diese Verfahren und die Ausrüstung betrieben werden
können,
um diese Materialien herzustellen, ist durch die Größe oder
das Gewicht der beweglichen Komponenten, durch die Rate, bei der
Wärme auf
verformbare Substratmaterialien angewendet werden kann, durch die
Rate, bei der Kräfte auf
das Substrat aufgebracht werden können, um es in die gewünschte Konfiguration
zu verformen und/oder durch die Rate, bei der Klebstoff auf das
Substrat und/oder auf zwischenliegende Vorrichtungselemente aufgebracht
werden kann, begrenzt. Die Geschwindigkeit, bei der diese Verfahren
und die Vorrichtung betrieben werden können, ist ein Hauptfaktor bei
der Wirtschaftlichkeit der Herstellung dieser Materialien in einem
kommerziellen Rahmen.
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Es wäre deswegen erwünscht, ein
Verfahren zu schaffen, das für
das Bilden dieser dreidimensionalen Materialbahnen und zum schnellen
Aufbringen von Klebstoff geeignet ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung schafft
ein Hochgeschwindigkeitspräge-
und -klebstoffdruckverfahren gemäß Anspruch
1. In einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
das Verfahren die folgenden Schritte: (a) Auftragen eines heiß schmelzenden Klebstoffs
auf eine geheizte Rolle, die mit einer anfänglichen Tangentialgeschwindigkeit
rotiert; (b) Walzen des Klebstoffs auf eine reduzierte Dicke und
Beschleunigen des Klebstoffs durch eine Reihe von Zumessspalten
zwischen einer Vielzahl von benachbarten geheizten Kleberrollen;
(c) Auftragen des Klebstoffs auf eine anpassungsfähige Kleberauftragrolle, die
mit einer tangentialen Liniengeschwindigkeit rotiert, die höher ist
als die anfängliche
Tangentialgeschwindigkeit; (d) Auftragen des Klebstoffs auf eine erste
gemusterte Prägerolle,
die in Eingriff ist mit einer zweiten gemusterten Prägerolle,
die ein zu der ersten Prägerolle
komplementäres
Muster aufweist, wobei die Prägerollen
geheizt sind; (e) Hindurchführen
einer Bahn von flächigem
Material zwischen den ersten und zweiten Prägerollen mit der tangentialen Liniengeschwindigkeit,
um gleichzeitig die Bahn zu prägen
und den Kleber auf die Bahn aufzutragen, so dass der Klebstoff ein
Klebstoffmuster zwischen Prägungen
bildet; (f) Übertragen
der Bahn von der zweiten Prägerolle
auf die erste Prägerolle;
(g) Abziehen der Bahn von der ersten Prägerolle; und (h) Kühlen der
Bahn.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Während
die Beschreibung mit Ansprüchen abschließt, die
die vorliegende Erfindung besonders hervorheben und deutlich beanspruchen,
wird angenommen, dass die vorliegende Erfindung aus der folgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
besser verstanden wird, die in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung
erfolgt, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen
und in der:
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1 eine
schematische Darstellung des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 eine
vergrößerte Teilansicht
der Vorrichtung von 1 ist,
die den Klebstoffübertragungsschritt
zwischen den Prägerollen
veranschaulicht;
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3 eine
Draufsicht von vier gleichen "Platten" einer repräsentativen
Ausführungsform
eines amorphen Musters ist, das bei der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
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4 ist
eine Draufsicht der vier "Platten" von 3, die näher zusammengerückt wurden,
um die Übereinstimmung
der Musterränder
darzustellen; und
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5 und 6 schematische Darstellungen von
Abmessungen sind, die in den Gleichungen der Mustererzeugung bezeichnet
sind, die bei der vorliegenden Erfindung nützlich sind.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Verfahren und Vorrichtung
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1 veranschaulicht
in schematischer Form das Verfahren der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 10 enthält
im Wesentlichen zwei zusammengepasste Prägerollen 15 und 16,
mehrere Kleberzumess-/Auftragrollen 11-14, eine Druckrolle 17, eine
Abziehrolle 18 und eine gekühlte S-förmige Umschlingung 19.
Die Prägerollen
sind aus Stahl mit einem in sie geätzten übereinstimmenden Prägemuster,
welches miteinander verriegelt, um eine Bahn aus flächigem Material,
die zwischen ihnen hindurchgeführt
wird, zu prägen.
Die Rolle mit Taschen und erhabenen Stegen wird als die (female/weibliche) Prägerolle 15 mit vertieften
Bereichen bezeichnet, während
die Rolle mit erhabenen Noppen und eingelassenen Stegen als die
(male/männliche)
Prägerolle 16 mit
erhabenen Bereichen bezeichnet wird. Die Prägerolle mit vertieften Bereichen
weist vorzugsweise eine auf ihre Oberfläche aufgetragene Ablösebeschichtung
auf. Die Kleberauftrag-/Zumessrollen 11-14 sind typischerweise
abwechselnd aus reinem Stahl oder gummibeschichtetem Stahl. Die
Kleberauftragrolle 14 (die letzte Rolle in dem Klebersystem) ist
immer aus gummibeschichtetem Stahl. Die Druckrolle 17 und
die Abziehrolle 18 sind ebenfalls aus gummibeschichtetem
Stahl. Die gekühlte
S-förmige Umschlingung
enthält
hohle Stahlrollen 19, wobei sich eine Ablösebeschichtung
auf ihren äußeren Oberflächen befindet
und Kühlmittel
durch die Rollen strömt.
Die Richtung der Rollenrotation ist in 1 mit Pfeilen angegeben.
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In 1 wird
im Einzelnen ein Klebstoff (wie etwa ein heiß schmelzender druckempfindlicher Klebstoff) 40 auf
die Oberfläche
der ersten rotierenden Rolle 11 über eine geheizte Schlitzform 9 extrudiert.
Die Schlitzform wird von einem Heißschmelz-Zuliefersystem (mit
geheiztem Vorratsbehälter
und Zahnradpumpe mit variabler Drehzahl, die nicht gezeigt sind)
durch einen geheizten Schlauch versorgt. Die Oberflächengeschwindigkeit
der ersten der Kleberzumessrollen 11 ist beträchtlich
geringer als die nominelle tangentiale Liniengeschwindigkeit der
Bahn aus flächigem
Material 50, das geprägt
und mit Klebstoff beschichtet werden soll. Die Zumessquetschrollenpaare
sind in 1 als die Stationen 1, 2 und 3 gezeigt.
Die restlichen Kleberzumessrollen 12-14 drehen sich zunehmend
schneller, so dass die Kleberauftragquetschrolle, Station 4,
in der Oberflächengeschwindigkeit
angepasst ist. Der Klebstoff 40 wird von der Kleberauftragrolle 14 an
der Station 4 auf die Prägerolle 15 mit vertieften
Bereichen übertragen.
Der Klebstoff 40 bewegt sich mit der Oberfläche der
Prägerolle
mit vertieften Bereichen zur Station 5, an der er mit der
Polymerbahn 50 kombiniert wird, die über die Prägerolle mit erhabenen Bereichen 16 in
die Station 5 befördert
wird.
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In der Station 5 wird die
Polymerbahn 50 geprägt
und gleichzeitig mit dem Klebstoff 40 kombiniert, um eine
mit Klebstoff beschichtete Bahn 60 zu bilden. Die Bahn 60,
die auf der Oberfläche
der Rolle 15 klebt, bewegt sich mit der Rollenoberfläche zur Station 6,
an der eine gummibeschichtete Druckrolle 17 Druck auf den
Kleberabschnitt der Bahn ausübt. Die
Bahn 60, die noch an der Prägerolle 15 mit vertieften
Bereichen klebt, bewegt sich zur Station 7, an der sie über die
Abziehrolle 18 von der Prägerolle 15 mit vertieften
Bereichen abgezogen wird. Die fertige mit Klebstoff beschichtete
Bahn 60 bewegt sich dann zu der gekühlten S-förmigen Umschlingung 19 an
der Station 8, an der sie gekühlt wird, um ihre Festigkeit zu
erhöhen.
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Der Klebstoff (oder Kleber) 40 wird
lediglich auf die Stegbereiche der Prägerolle 15 mit vertieften Bereichen
aufgetragen. Das wird an der Station 4 durch eine genaue
Steuerung der Prägerolle
mit vertieften Bereichen in Bezug auf den Abstand und die Unrundheit
der Kleberauftragrolle realisiert. Der Spalt zwischen diesen Rollen
wird so gesteuert, dass die mit Klebstoff bedeckte Gummirolle 14 Klebstoff
lediglich auf die Stege aufträgt,
ohne den Klebstoff in die Ausnehmungen oder Taschen zwischen den
Stegen zu drücken.
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Die Kleberauftragrolle 14 ist
eine gummibeschichtete Stahlrolle. Die Gummibeschichtung wird in
einem speziellen Verfahren geschliffen, um eine Rundlauftoleranz
von etwa 25,4 μm
(0,001 Zoll) zu erreichen. Die Quetschrolle wird in der Maschine mit
Präzisionskeilblöcken gesteuert.
Eine Gummibeschichtung wird verwendet, um (1) die Beschichtung
auf der Prägerolle 15 mit
vertieften Bereichen vor Beschädigungen
infolge eines metallischen Kontakts zu schützen, und um (2) zu
ermöglichen,
dass die Kleberauftragrolle sehr leicht gegen die Prägerolle
mit vertieften Bereichen gepresst wird, so dass die Durchfederung
des Gummis die tatsächliche
Unrundheit der Prägerolle
und der Kleberauftragrolle ausgleicht, damit Klebstoff überall auf
den Stegen der Prägerolle
mit vertieften Bereichen gleichmäßig aufgetragen
werden kann.
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Die Kleberauftragrolle 14 wird
leicht gegen die Prägerolle 15 mit
vertieften Bereichen gepresst, so dass die Durchfederung der Gummioberfläche die tatsächliche
Unrundheit der Prägerolle
und der Kleberauftragrolle ausgleicht, die Durchfederung ist jedoch
nicht so groß,
dass Klebstoff in die Taschen in der Oberfläche der Prägerolle 15 mit vertieften
Bereichen gepresst wird. Das Aufbringen von Klebstoff ausschließlich auf
den Stegen der Prägerolle 15 mit vertieften
Bereichen ist wichtig, um zu verhindern, dass Klebstoff auf die
Spitzen der Prägungen
in der Bahn übertragen
wird. Klebstoff, der auf den Spitzen der Prägungen in der Bahn vorhanden
ist, würde
bewirken, dass sie vor der Aktivierung der Bahn durch Zerbrechen
der Prägung
Klebeeigenschaften aufweisen.
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Der verwendete Klebstoff oder Kleber
besitzt eine hohe Elastizität
und ein Übergang
von einer feststehenden Schlitzform 9 zur vollen tangentialen
Liniengeschwindigkeit kann zur Folge haben, dass sich der Kleber
ausdehnt und bricht oder nicht an der ersten Zumessrolle anhaftet.
Um die Ausdehnungsrate des Klebstoffs zu verringern, wird er zuerst
auf eine sich langsam bewegende Rolle aufgetragen und dann wird
er über
eine Reihe von Zumessspalten (die Stationen 1, 2 und 3)
zu einem sehr dünnen
Klebstofffilm gewalzt und auf die gewünschte tangentiale Liniengeschwindigkeit
beschleunigt.
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Die Kleberrollen müssen in
Bezug auf Durchmesser und Unrundheit auf sehr genaue Toleranzen geschliffen
werden, um die genauen Spaltabmessungen zwischen den Rollen einzuhalten,
die für
Dosierung und Beschleunigung des Klebstoffs erforderlich sind. Eine
typische Rundlauftoleranz beträgt
1,27 μm (0,00005
Zoll). Die Kleberrollen müssen
am Umfang und quer zur Verarbeitungsrichtung gleichmäßig geheizt
werden, um durch Wärme
induzierte Scheitelpunkte oder eine Unrundheit der Rollen zu vermeiden.
Es ist festgestellt worden, dass bei elektrisch geheizten Rollen
ein Ausfall eines einzigen Heizelements eine ausreichende Unrundheit
erzeugen kann, um einen gleichmäßigen Klebstoffdruck
auf die Bahn zu verhindern. In diesem Fall werden Amperemeter verwendet,
um Ausfälle
von Heizelementen anzuzeigen. Ein Wärmeverlust über Lager und Rollenschäfte kann
einen Rollenscheitelpunkt erzeugen, der ebenfalls einen gleichmäßigen Klebstoffdruck
verhindert. Häufig
müssen
die Lagerblöcke
der Rolle geheizt werden, um Temperaturgradienten quer zur Verarbeitungsrichtung
zu vermeiden.
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Die Prägerolle 15 mit vertieften
Bereichen enthält
vorzugsweise eine Ablösebeschichtung,
die sowohl auf den Oberflächen
der Stege als auch auf den Oberflächen der dazwischen liegenden
Taschen oder Ausnehmungen aufgetragen ist. Die Ablösebeschichtung
und die Klebereigenschaften müssen sorgfältig abgestimmt
sein, um die beste Kombination aus Kleben und Ablösen zu schaffen.
Die Beschichtung muss ermöglichen,
dass der sehr heiße Klebstoff
(typischerweise 149-177 °C
(300-350 °F)) an
die Prägerolle
mit vertieften Bereichen übertragen wird,
und muss trotzdem ermöglichen,
dass sich die mit Klebstoff beschichtete Polymerfilmbahn bei der Temperatur
der Prägerollen
(typischerweise 71-82 °C (160-180 °F)) ablöst. Wenn
die Ablösebeschichtung ein
zu geringes Anhaften unterstützt,
wird der Klebstoff nicht von der Kleberauftragrolle auf die Prägerolle
mit vertieften Bereichen übertragen,
während dann,
wenn die Ablösebeschichtung
ein zu starkes Anhaften unterstützt,
die fertige, mit Klebstoff beschichtete Bahn nicht von der Oberfläche der
Prägerolle
mit vertieften Bereichen abgelöst
werden kann, ohne den Polymerfilm zu zerreißen oder zu dehnen.
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Der Film sollte bei der höchst möglichen
Prägetemperatur
geprägt
werden, um harte, sehr starke Prägungen
zu unterstützen
und um zu ermöglichen, dass
sich die Kleberfilmbahn von der Prägerolle mit vertieften Bereichen
mit einer geringeren Abziehkraft ablöst. Die Temperatur der Prägerollen
muss jedoch unter dem Erweichungspunkt der Filmbahn gehalten werden,
so dass die fertige haftbeschichteten Bahn eine ausreichende Zerreißfestigkeit
besitzt, damit sie von der Prägerolle
mit vertieften Bereichen entfernt werden kann. Es hat sich herausgestellt,
dass eine Ausgewogenheit zwischen Ablösetemperatur und Filmerweichungstemperatur
ein kritischer Parameter beim Definieren von erfolgreichen Betriebsbedingungen
für einen
Betrieb bei hohen Geschwindigkeiten ist.
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Die Abziehrolle unterstützt das
Entfernen des fertigen Produkts von der Prägerolle mit vertieften Bereichen
ohne Beschädigung
des Films. Da das Produkt (Filmbahn) an der Oberfläche der
Prägerolle mit
vertieften Bereichen klebt, können
an dem Abziehpunkt sehr hohe Kräfte
entwickelt werden. Die Abziehrolle beschränkt diese Kräfte auf
eine sehr kurze Länge
der Bahn, was eine geringere Verzerrung der Bahn und eine bessere
Steuerung des Abziehwinkels zur Folge hat. Das Verhindern einer
Verzerrung des fertigen Produkts ist wesentlich, um gleich bleibende
Filmeigenschaften zu gewährleisten und
um zu verhindern, dass der Film Bereiche aufweist, die vorzeitig
zum Aufweisen von Klebeeigenschaften aktiviert werden.
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Der Umfang oder Grad des Eingriffs
zwischen den Prägerollen
mit erhabenen und jenen mit vertieften Bereichen muss sorgfältig gesteuert
werden, um eine Beschädigung
an den Rollen oder an der Filmbahn zu verhindern. Die äußeren Oberflächen der
Prägerollen
sind auf eine Rundlauftoleranz von 1,27 μm (0,00005 Zoll) geschliffen.
Der Eingriff wird in der Maschine mit Präzisionskeilblöcken gesteuert.
Der Eingriff der Prägerollen
bestimmt die endgültige
Stärke
des Films (d. h. die endgültige Höhe der Prägungen).
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Ein wichtiges Kriterium ist die Übereinstimmung
oder Entsprechung zwischen den Prägerollen mit erhabenen und
jenen mit vertieften Bereichen. Eine nützliche Technik besteht darin,
eine Rolle durch einen Photoätzvorgang
zu bilden und diese Rolle als "Master" zu verwenden, um
die andere Rolle als negatives Bild zu bilden. Die Vorrichtung muss
außerdem
so beschaffen sein, dass die genaue Synchronisation der übereinstimmenden
Prägerollen
aufrecht erhalten wird.
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Die Präge- und Klebstoffrollen werden
alle einzeln geheizt und gesteuert, um eine genaue Steuerung der
Klebstoffübertragungstemperatur
und der Prägerollen-Ablösetemperatur
zu ermöglichen.
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Die Verwendung von passenden Prägerollen mit
erhabenen und vertieften Bereichen mit komplementären Musterformen
unterstützt
die dünnen
Filmbahn vollständig
während
des Schritts des Präge- und
Klebeverfahrens, um sicherzustellen, dass die Kräfte in dem Filmmaterial in
geeigneter Weise verteilt werden. Es wird angenommen, dass eine
vollständige
Unterstützung
der Bahn im Unterschied zum Wärmeformen
oder Unterdruckformen eines Films mit einer offenen Struktur, wie
etwa ein Lochriemen oder eine Lochtrommel, bei der der Abschnitt der
Bahn, der in die Öffnungen
oder Ausnehmungen verformt wird, nicht unterstützt ist, eine Vergrößerung der
Rate ermöglicht,
bei der ohne Beschädigung
der Bahn Verformungen an der Bahn ausgeübt werden, und somit höhere Produktionsgeschwindigkeiten
ermöglicht.
Das gleichzeitige Auftragen des Klebstoffs auf den Film während des
Prägeschritts
schafft eine genaue Lagegenauigkeit des Klebstoffs auf den nicht verformten
Abschnitten der Bahn zwischen Prägungen.
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Die genaue Steuerung des Klebstoffs,
insbesondere die Dicke und Gleichförmigkeit der auf die Prägerolle
mit vertieften Bereichen aufgetragenen Klebeschicht, ist ein wichtiger
Faktor bei der Herstellung von hochwertigen Produkten bei hoher
Geschwindigkeit. Besonders bei sehr geringen Zugabemengen des Klebstoffs
können
schon sehr geringe Änderungen
der Dicke des Klebstoffs während
der Übertragungen
von Rolle zu Rolle Bedeckungslücken
während
des Auftragens des Klebstoffs auf die Prägerolle zur Folge haben. Gleichzeitig
können
derartige Änderungen
zu einem überschüssigen Klebstoff
in bestimmten Bereichen der Prägerollen
führen, was
entweder die Ausnehmungen in der Rolle verunreinigen oder eine unvollständige Klebstoffübertragung
auf die Bahn und eine Anreicherung des Klebstoffs auf der Prägerolle
zur Folge haben könnte.
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Mustererzeugung
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Die 3 und 4 zeigen ein Muster 20,
das unter Verwendung eines Algorithmus erzeugt wurde, der in der übertragenen
gleichzeitig eingereichten anhängigen
US-Patentanmeldung auf den Namen von Kenneth S. McGuire mit dem
Titel "Method of Seaming
and Expanding Amorphous Patterns" genauer
beschrieben ist. Aus den 3 und 4 ist klar, dass an den Grenzen
der Platten 20 keine Naht auftritt, wenn sie in enge Nachbarschaft
gebracht werden. Gleichfalls ist dann, wenn gegenüberliegenden Kanten
eines einzelnen Musters oder einer Platte zusammen gebracht werden,
wie etwa durch das Umlaufen des Musters um einen Riemen oder ein
Rolle, keine Naht in einfacher Weise optisch wahrnehmbar.
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Der hier verwendete Term "amorph" bezeichnet ein Muster,
das keine in einfacher Weise wahrnehmbare Organisation, Regelmäßigkeit
oder Ausrichtung von Einzelelementen aufweist. Diese Definition
des Terms "amorph" stimmt im Allgemeinen
mit der gewöhnlichen
Bedeutung des Terms überein,
wie durch die entsprechende Definition in "Webster's Ninth New Collegiate Dictionary" bestätigt wird.
Bei einem derartigen Muster besitzt die Ausrichtung und Anordnung
eines Elements in Bezug auf ein benachbartes Element keine vorhersagbare
Beziehung zu dem nächsten
folgenden Element bzw. den nächsten folgenden
Elementen.
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Im Unterschied dazu wird der Term "Gruppierung" hier verwendet,
um Muster aus Einzelelementen zu bezeichnen, die eine regelmäßige geordnete Gruppierung
oder Anordnung aufweisen. Diese Definition des Terms "Gruppierung" stimmt gleichfalls
mit der gewöhnlichen
Bedeutung des Terms überein,
wie durch die entsprechende Definition in "Webster's Ninth New Collegiate Dictionary" bestätigt wird.
Bei einem derartigen Gruppierungsmuster besitzt die Ausrichtung
und Anordnung eines Elements in Bezug auf ein benachbartes Element
eine vorhersagbare Beziehung zu dem nächsten folgenden Element bzw.
den nächsten
folgenden Elementen.
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Der Grad, in dem eine Ordnung in
einem Gruppierungsmuster aus dreidimensionalen Vorsprüngen vorhanden
ist, besitzt eine direkte Beziehung zu dem Grad der Stapelfähigkeit,
die die Bahn aufweist. In einem stark geordneten Gruppierungsmuster
mit gleichförmig
bemessenen und geformten hohlen Vorsprüngen in einer eng gepackten
hexagonalen Anordnung ist z. B. jeder Vorsprung buchstäblich eine
Wiederholung jedes anderen Vorsprungs. Das Stapeln von Bereichen
einer derartigen Bahn kann mit einer Verschiebung der Bahnausrichtung zwischen überlagerten
Bahnen oder Bahnabschnitten um nicht mehr als einen Vorsprungabstand
in einer beliebigen Richtung erreicht werden. Ein geringerer Grad
der Ordnung kann eine geringere Stapeltendenz demonstrieren, obwohl
angenommen wird, dass jeder Grad der Ordnung einen gewissen Grad der
Stapelfähigkeit
schafft. Demzufolge würde
deswegen ein amorphes nicht geordnetes Muster von Vorsprüngen den
größtmöglichen
Grad der Resistenz gegen Stapeln aufweisen.
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Es wird außerdem angenommen, dass dreidimensionale
flächige
Materialien mit einem zweidimensionalen Muster aus dreidimensionalen
Vorsprüngen,
das im Wesentlichen amorphe Natur besitzt, "Isomorphismus" aufweisen. Der hier verwendete Term "Isomorphismus" und seine Wurzel "isomorph" werden verwendet,
um eine wesentliche Gleichförmigkeit
in geometrischen und strukturellen Eigenschaften für einen
vorgegebenen umschriebenen Bereich zu bezeichnen, wo auch immer
ein derartiger Bereich mit dem Muster aufgezeichnet ist. Diese Definition
des Terms "isomorph" stimmt mit der gewöhnlichen
Bedeutung des Terms überein,
wie durch die entsprechende Definition in "Webster's Ninth New Collegiate Dictionary" bestätigt wird.
Ein vorgeschriebener Bereich, der eine statistisch bedeutsame Anzahl
von Vorsprüngen
in Bezug auf das gesamte amorphe Muster umfasst, würde z. B.
statistisch im Wesentlichen gleichwertige Werte für solche Bahneigenschaften
erzielen, wie etwa Vorsprungfläche,
Anzahldichte der Vorsprünge,
Gesamtlänge
der Vorsprungwand usw. Es wird angenommen, dass eine derartige Korrelation
in Bezug auf physikalische strukturelle Bahneigenschaften erwünscht ist,
wenn über
die Bahnoberfläche
eine Gleichförmigkeit
erwünscht
ist, insbesondere in Bezug auf Bahneigenschaften, die senkrecht
zur Ebene der Bahn gemessen werden, wie etwa Bruchwiderstand von
Vorsprüngen
usw.
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Die Verwendung eines amorphen Musters aus
dreidimensionalen Vorsprüngen
besitzt außerdem
weitere Vorteile. Es ist z. B. beobachtet worden, dass dreidimensionale
flächige
Materialien, die aus einem Material gebildet wurden, das in der
Ebene des Materials ursprünglich
isotrop war, in Bezug auf physikalische Bahneigenschaft in Richtungen
in der Ebene des Materials im Allgemeinen isotrop bleibt. Der hier
benutzte Term "isotrop" wird verwendet,
um Bahneigenschaft zu bezeichnen, die im Wesentlichen im gleichen
Umfang in allen Richtungen in der Ebene des Materials auftreten.
Diese Definition des Terms "isotrop" stimmt gleichfalls
im Allgemeinen mit der gewöhnlichen
Bedeutung des Terms überein,
wie durch die entsprechende Definition in "Webster's Ninth New Collegiate Dictionary" bestätigt wird.
Ohne Wunsch nach theoretischer Einschränkung wird gegenwärtig angenommen,
dass das der Fall ist infolge der nicht geordneten, nicht ausgerichteten
Anordnung der dreidimensionalen Vorsprünge im amorphen Muster. Umgekehrt
werden richtungsabhängige Bahnmaterialien,
die Bahneigenschaften aufweisen, die sich in Bahnrichtung unterscheiden,
nach der Einführung
des amorphen Musters bei dem Material typischerweise solche Eigenschaften
in ähnlicher
Weise aufweisen. Eine derartige Materialplatte könnte z. B. im Wesentlichen
gleichförmige
Spannungseigenschaften in jeder Richtung in der Ebene des Materials aufweisen,
wenn das Ausgangsmaterial bei den Spannungseigenschaften isotrop
war.
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Ein derartiges im physikalischen
Sinn amorphes Muster überträgt sich
in eine statistisch gleichwertige Anzahl von Vorsprüngen pro
Längeneinheit, die
durch eine Linie getroffen werden, die von einem beliebigen Punkt
in dem Muster als Strahl nach außen gezogen wird. Weitere statistisch
gleichwertige Parameter könnten
die Anzahl der Vorsprungwände, die
mittlere Vorsprungfläche,
den mittleren Gesamtraum zwischen Vorsprüngen usw. enthalten. Es wird angenommen,
dass eine statistische Gleichwertigkeit in Bezug auf strukturelle
geometrische Merkmale im Hinblick auf Richtungen in der Ebene der
Bahn sich in eine statistische Gleichwertigkeit in Bezug auf gerichtete
Bahneigenschaften überträgt.
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Das Konzept der Gruppierung wird
nochmals aufgegriffen, um den Unterschied zwischen Gruppierungen
und amorphen Mustern hervorzuheben. Da eine Gruppierung im physikalischen
Sinn "geordnet" ist, würde sie
eine gewisse Regelmäßigkeit
in der Größe, Form,
Abstand und/oder Ausrichtung von Vorsprüngen aufweisen. Demzufolge
würde eine
Linie oder ein Strahl, der von einem vorgegebenen Punkt in dem Muster
gezogen wird, statistisch unterschiedliche Werte in Abhängigkeit
von der Richtung, in welcher sich der Strahl ausdehnt, für solche
Parameter ergeben wie die Anzahl der Vorsprungwände, mittlere Vorsprungfläche, mittlerer
Gesamtraum zwischen Vorsprüngen
usw. bei einer entsprechenden Änderung
der richtungsabhängigen
Bahneigenschaften.
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In dem bevorzugten amorphen Muster
sind Vorsprünge
vorzugsweise nicht gleichförmig
in Bezug auf ihre Größe, Form,
Ausrichtung in Bezug auf die Bahn und den Abstand zwischen benachbarten Vorsprungmittelpunkten.
Ohne den Wunsch einer theoretischen Einschränkung wird angenommen, dass
Unterschiede in dem Mittenabstand von benachbarten Vorsprüngen eine
bedeutende Rolle bei der Verringerung der Wahrscheinlichkeit der
Stapelung spielt, die in einem Szenario der Stapelung von Vorderseite
an Rückseite
auftritt. Unterschiede in dem Mittenabstand von Vorsprüngen in
dem Muster resultieren im physikalischen Sinn darin, dass die Räume zwischen
Vorsprüngen
an unterschiedlichen räumlichen
Orten in Bezug auf die Gesamtbahn angeordnet sind. Demzufolge ist
die Wahrscheinlichkeit einer "Übereinstimmung", die zwischen überlagerten Abschnitten
von einer oder mehreren Bahnen in Bezug auf die Orte von Vorsprüngen/Räumen auftritt, recht
gering. Ferner ist die Wahrscheinlichkeit einer "Übereinstimmung", die zwischen mehreren
benachbarten Vorsprüngen/Räumen auf überlagerten
Bahnen oder Bahnabschnitten infolge der amorphen Natur des Vorsprungmusters
noch geringer.
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Bei einem vollständig amorphen Muster, das gegenwärtig bevorzugt
wäre, ist
der Mittelabstand willkürlich,
zumindest in einem vom Entwickler festgelegten eingegrenzten Bereich,
so dass für
den nächsten
Nachbarn eine gleiche Wahrscheinlichkeit besteht, dass ein vorgegebener
Vorsprung unter einer beliebigen Winkelposition in der Ebene der
Bahn vorkommt. Weitere physikalische geometrische Eigenschaften
sind außerdem
vorzugsweise willkürlich oder
wenigstens nicht gleichförmig
in den Grenzbedingungen des Musters, wie etwa die Anzahl der Seiten
der Vorsprünge,
Winkel, die in jedem Vorsprung eingeschlossen werden, Größe der Vorsprünge usw. Während es
jedoch möglich
und im manchen Fällen erwünscht ist,
dass der Abstand zwischen benachbarten Vorsprüngen nicht gleichförmig und/oder
willkürlich
ist, macht die Wahl von Polygonformen, die sich gegenseitig verriegeln
können,
einen gleichförmigen
Abstand zwischen benachbarten Vorsprüngen möglich. Das ist insbesondere
nützlich
für einige
Anwendungen von dreidimensionalen stapelungsresistenten flächigen Materialien
der vorliegenden Erfindung, wie später erläutert wird.
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Der hier benutzte Term "Polygon" (und die Adjektivform "polygonal") wird verwendet,
um eine zweidimensionale geometrische Figur mit drei oder mehr Seiten
zu bezeichnen, da ein Polygon mit einer Seite oder mit zwei Seiten
eine Linie definieren würde.
Demzufolge sind Dreiecke, Vierecke, Fünfecke, Sechsecke usw. in dem
Term "Polygon" eingeschlossen wie
auch krummlinig begrenzte Formen, wie etwa Kreise, Ellipsen usw.,
die eine unendliche Anzahl von Seiten aufweisen würden.
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Wenn Eigenschaften von zweidimensionalen Strukturen
mit nicht gleichförmigen
und insbesondere nicht kreisförmigen
Formen und ungleichmäßigem Abstand
beschrieben werden, ist es häufig
nützlich, "mittlere" Größen und/oder "gleichwertige" Größen zu verwenden.
Bei der Kennzeichnung der linearen Distanzbeziehungen zwischen Objekten
in einem zweidimensionalen Muster, bei dem Abstände auf der Basis der Mittenabstände oder
auf der Basis eines einzelnen Abstands vorkommen, kann ein Term des "mittleren" Abstands nützlich sein,
um die sich ergebende Struktur zu kennzeichnen. Weitere Größen, die
in Bezug auf Mittelwerte beschrieben werden könnten, würden den Anteil des Oberflächenbereichs,
der durch Objekte belegt ist, die Objektfläche, den Objektumfang, den
Objektdurchmesser usw. enthalten. Bei anderen Abmessungen, wie etwa
der Objektumfang und der Objektdurchmesser, kann für Objekte,
die nicht kreisförmig
sind, eine Näherung ausgeführt werden,
indem ein angenommener gleichwertiger Durchmesser konstruiert wird,
wie das häufig
im hydraulischen Kontext gemacht wird.
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Ein vollständig willkürliches Muster von dreidimensionalen
hohlen Vorsprüngen
in einer Bahn würde
theoretisch niemals ein Stapeln von Vorderseite an Rückseite
zulassen, da die Form und die Ausrichtung jedes Stumpfs einmalig
wäre. Der
Entwurf eines derartigen vollständig willkürlichen
Musters würde
jedoch sehr zeitaufwändig
sein und wäre
ein komplexer Vorschlag wie auch das Verfahren zum Herstellen einer
geeigneten Formgebungsstruktur. Gemäß der vorliegenden Erfindung
können
die Attribute der fehlenden Stapelbarkeit erreicht werden, indem
Muster oder Strukturen entwickelt werden, bei denen die gegenseitigen
Beziehung benachbarter Zellen oder Strukturen wie auch der geometrische Gesamtcharakter
der Zellen oder Strukturen festgelegt sind, wobei jedoch die genaue
Größe, Form
und Ausrichtung der Zellen oder Strukturen nicht gleichförmig und
nicht wiederholend sind. Es ist vorgesehen, dass der hier benutzte
Term "nicht wiederholend" Muster oder Strukturen
bezeichnet, bei denen an zwei Stellen in einer definierten Fläche, die
von Interesse ist, keine identische Struktur oder Form vorhanden
ist. Während
in dem Muster oder in der Fläche,
die von Interesse ist, mehr als ein Vorsprung mit einer vorgegebenen
Größe und Form
vorhanden sein können,
eliminiert das Vorhandensein weiterer Vorsprünge um sie herum mit nicht
gleichförmiger Größe und Form
faktisch die Möglichkeit,
dass eine identische Gruppierung von Vorsprüngen an mehreren Stellen vorhanden
ist. Anders ausgedrückt,
das Muster von Vorsprüngen
ist nicht gleichförmig
in der gesamten Fläche,
die von Interesse ist, derart, dass keine Gruppierung von Vorsprüngen in
dem Gesamtmuster gleich einer beliebigen anderen Gruppierung von
Vorsprüngen
ist. Die Stärke
des dreidimensionalen flächigen
Materials wird ein wesentliches Stapeln eines beliebigen Bereichs
von Material, das einen vorgegebenen Vorsprung umgibt, verhindern,
selbst dann, wenn dieser Vorsprung selbst einer einzelnen Vertiefung überlagert
ist, da die Vorsprünge,
die den einzelnen Vorsprung umgeben, der von Interesse ist, sich
in Größe, Form
und in dem resultierenden Mittenabstand von jenen unterscheiden,
die den anderen Vorsprung/Vertiefung umgeben.
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Prof. Davis der Universität Manchester
hat poröse
zellulare Keramikmembranen untersucht und hat insbesondere ein analytisches
Modell derartiger Membranen erzeugt, um das mathematische Modellieren
zur Simulation reeller Ereignisse zu ermöglichen. Diese Arbeit wurde
in einer Veröffentlichung mit
dem Titel "Porous
cellular ceramic membranes: a stochastic model to describe the structure
of an anodic oxide membrane" von
J. Broughton und G. A. Davies genauer beschrieben, die in "Journal of Membrane
Science", Bd. 106,
(1995), S. 89-101 erschien und deren Offenbarung hier durch Literaturhinweis
eingefügt
ist. Andere verwandte mathematische Modellierungstechniken sind
in der Veröffentlichung "Computing the n-dimensional
Delaunay tessellation with application to Voronoi polytopes" von D. F.-Watson,
die in "The Computer
Journal", Bd. 24,
Nr. 2 (1981), S. 167-172 erschien, und in der Veröffentlichung "Statistic Models
to Describe the Structure of Porous Ceramic Membranes" von J. F. F. Lim,
X. Jia, R. Jafferali und G. A. Davies, die in "Separation Science and Technology", 28(1-3) (1993),
S. 821-854 erschien, genauer beschrieben, wobei deren Offenbarungen hier
durch Literaturhinweis eingefügt
sind.
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Als Teil seiner Arbeit entwickelte
Prof. Davies ein zweidimensionales polygonales Muster, das auf einem
beschränkten
Voronoi-Mosaik im zweidimensionalen Raum basierte. Bei einem derartigen
Verfahren sind unter Bezugnahme auf die oben genannten Veröffentlichungen
Keimbildungspunkte an willkürlichen
Positionen in einer begrenzten (im Voraus bestimmten) Ebene angeordnet,
deren Anzahl gleich der Anzahl von Polygonen ist, die im fertigen
Muster erwünscht
sind. Ein Computerprogramm lässt
jeden Punkt als einen Kreis gleichzeitig und radial aus jedem Keimbildungspunkt
bei gleichen Raten "wachsen". Wenn sich die Wachstumstrichter
von benachbarten Keimbildungspunkten treffen, hält das Wachstum an und es wird
eine Grenzlinie gebildet. Diese Grenzlinien bilden jeweils den Rand
eines Polygons, dessen Scheitelpunkte durch die Schnittpunkte von Grenzlinien
gebildet werden.
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Während
dieser theoretische Hintergrund nützlich ist beim Verständnis der
Erzeugung derartiger Muster und der Eigenschaften solcher Muster, bleibt
das Problem bestehen, die obigen numerischen Wiederholungen schrittweise
auszuführen,
damit sich die Keimbildungspunkte nach außen durch das gesamte Feld,
das von Interesse ist, bis zur Fertigstellung ausbreiten. Um dieses
Verfahren beschleunigt auszuführen,
wird demzufolge ein Computerprogramm geschrieben, um diese Berechnungen auszuführen, wenn
die geeigneten Grenzbedingungen und Eingangsparameter vorgegebenen
sind, und den gewünschten
Ausgang zu liefern.
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Der erste Schritt bei der Erzeugung
eines Musters, das gemäß der vorliegenden
Erfindung nützlich
ist, besteht darin, die Abmessungen des gewünschten Musters festzulegen.
Wenn es z. B. erwünscht
ist, ein Muster mit einer Breite von 0,25 m (10 Zoll) und einer
Länge von
0,25 m (10 Zoll) aufzubauen, um wahlweise eine Trommel oder einen
Riemen sowie eine Platte zu bilden, wird ein X-Y-Koordinatensystem
aufgestellt, wobei die maximale X-Abmessung (xmax)
0,25 m (10 Zoll) beträgt
und die die maximale Y-Abmessung (ymax)
0,25 m (10 Zoll) beträgt
(oder umgekehrt).
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Nachdem das Koordinatensystem und
die maximalen Abmessungen festgelegt sind, besteht der nächste Schritt
darin, die Anzahl der "Keimbildungspunkte" zu bestimmen, die
zu Polygonen werden, die in den definierten Grenzen des Musters
erwünscht
sind. Diese Anzahl ist eine ganze Zahl zwischen 0 und unendlich
und sollte unter Berücksichtigung
auf die mittlere Größe und Abstand
der Polygone, die in dem fertigen Muster erwünscht sind, gewählt werden.
Größere Anzahlen
entsprechen kleineren Polygonen und umgekehrt. Ein nützlicher
Ansatz zum Bestimmen der geeigneten Anzahl der Keimbildungspunkte
oder Polygone besteht darin, die Anzahl der Polygone einer künstlichen
angenommenen gleichförmigen
Größe und Form
zu berechnen, die erforderlich wäre,
um die gewünschte
Formungsstruktur auszufüllen.
Wenn dieses künstliche Muster
eine Gruppierung von regelmäßigen Sechsecken 30 ist
(siehe 5), wobei D die
Abmessung von Kante zu Kante und M der Abstand zwischen den Sechsecken
ist, dann beträgt
die Anzahldichte von Sechsecken N: N = 2 × 31/2/[3(D + M)2]
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Es ist festgestellt worden, dass
die Verwendung dieser Gleichung zur Berechnung einer Keimbildungsdichte
für das
amorphe Muster, das in der hier beschriebenen Weise erzeugt wird,
Polygone mit einer mittleren Größe ergibt,
die der Größe der angenommenen
Sechsecke (D) eng angenähert
ist. Wenn die Keimbildungsdichte bekannt ist, kann die Gesamtanzahl
der Keimbildungspunkte, die in dem Muster zu verwenden sind, berechnet
werden, indem mit der Fläche
des Musters (die in diesem Beispiel 0,05 m2 (80
Zoll2) beträgt) multipliziert wird.
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Für
den nächsten
Schritt wird ein Zufallszahl-Generator benötigt. Ein beliebiger geeigneter Zufallszahl-Generator,
der einem Fachmann bekannt ist, kann verwendet werden, einschließlich jene,
die eine "Ausgangszahl" erfordern oder einen
objektiv bestimmten Ausgangswert, wie etwa einen chronologischen
Zeitpunkt, verwenden. Viele Zufallszahl-Generatoren arbeiten, um
eine Zahl zwischen Null und Eins (0-1) zu liefern und die folgende
Erläuterung nimmt
die Verwendung eines derartigen Generators an. Ein Generator mit
anderem Ausgang kann außerdem
verwendet werden, wenn das Ergebnis in eine Zahl zwischen Null und
Eins umgesetzt wird oder wenn geeignete Umsetzungsfaktoren verwendet werden.
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Ein Computerprogramm wird geschrieben, damit
der Zufallszahl-Generator die gewünschte Anzahl von Iterationen
ausführt,
um so viele Zufallszahlen zu erzeugen wie erforderlich sind, deren
Anzahl gleich dem Doppelten der gewünschten Anzahl von "Keimbildungspunkten" ist, die oben berechnet
wurde. Wenn die Zahlen erzeugt wurden, werden abwechselnde Zahlen
entweder mit der maximalen X-Abmessung oder mit der maximalen Y-Abmessung multipliziert,
um Zufallspaare von X- und Y-Koordinaten zu erzeugen, die X-Werte
zwischen Null und der maximalen X-Abmessung und Y-Werte zwischen
Null und der maximalen Y-Abmessung besitzen. Diese Werte werden
dann als Paare von (X, Y)-Koordinaten gespeichert, deren Anzahl
gleich der Anzahl der "Keimbildungspunkte" ist.
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An diesem Punkt unterscheidet sich
die hier beschriebene Erfindung von dem Algorithmus der Mustererzeugung,
der in der früheren
Anmeldung von McGuire u. a. beschrieben wurde. Wird angenommen,
dass es erwünscht
ist, dass die linke und die rechte Kante des Musters "ineinander greifen", d. h. dass sie
zusammen "gefügt" werden können, wird ein
Rand der Breite B an der rechten Seite des Quadrats der Kantenlänge 0,25
m (10 Zoll) angefügt
(siehe 6). Die Größe des erforderlichen
Rands hängt von
der Keimbildungsdichte ab; je größer die
Keimbildungsdichte, desto kleiner ist die Größe des erforderlichen Rands.
Ein bequemes Verfahren zum Berechnen der Randbreite B besteht darin,
wieder Bezug auf die angenommene regelmäßige Sechseck-Gruppierung zu
nehmen, die oben beschrieben wurde und in 5 gezeigt ist. Im Allgemeinen sollten
wenigstens drei Spalten von angenommenen Sechsecken in dem Rand
enthalten sein, deswegen kann die Randbreite berechnet werden als: B = 3(D + H)
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Nun wird ein beliebiger Keimbildungspunkt
P mit den Koordinaten (x, y) mit x < B als weiterer Keimbildungspunkt P' mit einer neuen
Koordinate (xmax + x, y) in den Rand kopiert.
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Wenn das in den vorherigen Absätzen beschriebene
Verfahren verwendet wird, um ein resultierendes Muster zu berechnen,
wird das Muster wahrhaft willkürlich
sein. Dieses wahrhaft willkürliche Muster
wird durch seine Natur eine große
Verteilung von Polygongrößen und
-formen besitzen, die in einigen Fällen unerwünscht sein kann. Um einen gewissen
Umfang der Steuerung über
den Grad der Zufälligkeit
zu schaffen, die mit der Erzeugung der Orte der "Keimbildungspunkte" verbunden ist, wird ein Kontrollfaktor
oder ein "Einschränkungswert" gewählt und
anschließend
als β (beta)
bezeichnet. Der Einschränkungswert
grenzt die Nähe
von Orten benachbarter Keimbildungspunkte durch die Einführung eines
Sperrabstands E ein, der den minimalen Abstand zwischen zwei benachbarten
Keimbildungspunkten repräsentiert.
Der Sperrabstand E wird in der folgenden Weise berechnet: E = 2β × (λπ)–1/2 wobei λ (lambda)
die Anzahldichte der Punkte (Punkte pro Flächeneinheit) ist und β im Bereich
von 0 bis 1 liegt.
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Um die Steuerung des "Grads der Zufälligkeit" zu implementieren,
wird der erste Keimbildungspunkt in der oben beschriebenen Weise
angeordnet. Dann wird β ausgewählt und
E wird aus der obigen Gleichung berechnet. Es wird angemerkt, dass β und somit
E während
der gesamten Platzierung von Keimbildungspunkten konstant bleiben.
Für jeden
folgenden Keimbildungspunkt, bei dem die (x, y)-Koordinate erzeugt
wird, wird der Abstand von diesem Punkt zu jedem anderen Keimbildungspunkt
berechnet, der bereits angeordnet wurde. Wenn dieser Abstand für einen
Punkt kleiner als E ist, werden die neu erzeugten (x, y)-Koordinaten
gelöscht
und ein neuer Satz wird erzeugt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis
alle N Punkte erfolgreich platziert wurden. Es wird angemerkt, dass
in dem Plattenbildungs-Algorithmus, der bei der vorliegenden Erfindung
nützlich
ist, bei allen Punkten, bei denen x < B ist, sowohl der ursprüngliche
Punkt P als auch der kopierte Punkt P' gegen alle anderen Punkte geprüft werden
muss. Wenn einer der Punkte P und P' näher
an einem anderen Punkt als E liegt, werden sowohl P als auch P' gelöscht und
es wird ein neuer Satz willkürlicher
(x, y)-Koordinaten erzeugt.
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Wenn β = 0, ist der Sperrabstand null
und das Muster wird wahrhaft willkürlich. Wenn β = 1, ist der
Sperrabstand gleich dem Abstand des nächsten Nachbars für eine dicht
gepackte sechseckige Gruppierung. Die Wahl von β zwischen 0 und 1 ermöglicht eine
Steuerung des "Grads
der Zufälligkeit" zwischen diesen
beiden Extremen.
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Um das Muster zu einer Platte zu
machen, bei der sowohl die linken und rechten Kanten als auch die
oberen und unteren Kanten in geeigneter Weise anschließen, müssen Ränder sowohl
in der X-Richtung als auch in der Y-Richtung verwendet werden.
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Wenn ein kompletter Satz von Keimbildungspunkten
berechnet und gespeichert wurde, wird als vorbereitender Schritt
zum Erzeugen des fertigen polygonalen Musters eine Delaunay-Dreieckbildung ausgeführt. Die
Verwendung der Delaunay-Dreieckbildung in diesem Verfahren ist eine
einfachere, jedoch mathematisch gleichwertige Alternative zum gleichzeitigen
iterativen "Wachsenlassen" der Polygone von
den Keimbildungspunkten als Kreise, wie oben in dem theoretischen
Modell beschrieben wurde. Der Sinn der Ausführung der Dreieckbildung besteht
darin, Gruppen von drei Keimbildungspunkten zu bilden, wodurch Dreiecke
gebildet werden, derart, dass in einem Kreis, der so konstruiert
wird, dass er durch diese drei Punkte verläuft, keine anderen Keimbildungspunkte
enthalten sind. Um die Delaunay-Dreieckbildung auszuführen, wird
ein Computerprogramm geschrieben, um jede mögliche Kombination von drei
Keimbildungspunkten zu assemblieren, wobei jedem Keimbildungspunkt
lediglich für
Identifizierungszwecke eine eindeutige Nummer (ganze Zahl) zugewiesen
wird. Der Radius und die Mittelpunktkoordinaten werden dann für einen
Kreis berechnet, der durch jede Gruppe aus drei dreieckförmig angeordneten
Punkten berechnet. Die Koordinatenorte aller Keimbildungspunkte,
die nicht zum Definieren des bestimmten Dreiecks verwendet wurden, werden
dann mit den Koordinaten des Kreises (Radius und Mittelpunkt) verglichen,
um festzustellen, ob einer der anderen Keimbildungspunkte in den
Kreis aus den drei Punkten, die von Interesse sind, fällt. Wenn
der konstruierte Kreis für
diese drei Punkte die Prüfung
besteht (keine anderen Keimbildungspunkte fallen in den Kreis),
werden die Nummern der drei Punkte, ihre X- und Y-Koordinaten, der
Radius des Kreises und die X- und Y-Koordinaten des Kreismittelpunkts
gespeichert. Wenn der konstruierte Kreis für diese drei Punkte die Prüfung nicht
besteht, werden keine Ergebnisse gespeichert und die Berechnung
geht zur nächsten
aus drei Punkten bestehenden Gruppe.
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Wenn die Delaunay-Dreieckbildung
abgeschlossen wurde, wird eine Voronoi-Mosaikbildung des zweidimensionalen
Raums ausgeführt,
um die fertigen Polygone zu erzeugen. Um die Mosaikbildung durchzuführen, bildet
jeder Keimbildungspunkt, der als Scheitelpunkt eines Delaunay-Dreiecks
gespeichert wurde, den Mittelpunkt eines Polygons. Der Umriss des
Polygons wird dann konstruiert, indem nacheinander die Mittelpunkte
umschreibender Kreise von jedem der Delaunay-Dreiecke, die diesen Scheitelpunkt
enthalten, nacheinander in Uhrzeigerrichtung verbunden werden. Das
Speichern dieser Kreismittelpunkte in wiederholter Reihenfolge,
wie etwa in Uhrzeigerrichtung, ermöglicht, dass die Koordinaten
der Scheitelpunkte jedes Polygons nacheinander über das gesamte Feld der Keimbildungspunkte
gespeichert werden. Bei der Erzeugung der Polygone wird ein Vergleich
ausgeführt,
so dass alle Dreieckscheitelpunkte an den Grenzen des Musters bei der
Berechnung weggelassen werden, da sie kein vollständiges Polygon
definieren.
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Falls das einfache Zusammenfügen mehrerer
Kopien des gleichen Musters zum Bilden eines größeren Musters erwünscht ist,
können
die Polygone, die als Ergebnis der in den rechnerischen Rand kopierten
Keimbildungspunkte erzeugt wurden, als Teil des Musters bewahrt
und mit identischen Polygonen in einem angrenzenden Muster überlappt
werden, um bei der Übereinstimmung
des Abstands und der Einpassung der Polygone zu helfen. Alternativ können, wie
in den 3 und 4 gezeigt ist, die Polygone,
die als Ergebnis der Keimbildungspunkte in den rechnerischen Rand
kopiert wurden, gelöscht werden,
nachdem die Dreieckbildung und die Mosaikbildung ausgeführt wurden,
so dass benachbarte Muster mit einem geeigneten Polygonabstand angrenzen.
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Wenn ein fertiges Muster aus verriegelten polygonalen
zweidimensionalen Formen erzeugt wurde, wird ein derartiges Netz
aus verriegelten Formen gemäß der vorliegenden
Erfindung als Vorlage für
eine Bahnoberfläche
einer Materialbahn mit dem Muster verwendet, das die Formen der
Basen der dreidimensionalen hohlen Vorsprünge definiert, die aus der
ursprünglich
ebenen Bahn des Ausgangsmaterials gebildet wurden. Um diese Bildung
von Vorsprüngen
aus einer ursprünglich
ebenen Bahn aus Ausgangsmaterial auszuführen, wird eine geeignete Formgebungsstruktur
erzeugt, die bewirkt, dass sich das Ausgangsmaterial daran anpasst,
indem geeignete Kräfte
ausgeübt
werden, um das Ausgangsmaterial dauerhaft zu verformen.
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Aus der vollständigen Datei der Polygon-Scheitelpunktkoordinaten
kann eine physikalische Ausgabe, wie etwa eine gezeichnete Linie,
aus dem fertigen Muster der Polygone hergestellt werden. Dieses
Muster kann in herkömmlicher
Weise als das Eingangsmuster für
einen Metallplatten-Ätzvorgang
verwendet werden, um eine dreidimensionale Formgebungsstruktur zu
bilden. Wenn ein größerer Abstand
zwischen den Polygonen erwünscht
ist, kann ein Computerprogramm geschrieben werden, um jeder Polygonseite
eine oder mehrere parallele Linien anzufügen, um deren Breite zu vergrößern (und
um somit die Größe der Polygone
um einen entsprechenden Betrag zu verkleinern).
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Während
bestimmte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist
es für
einen Fachmann selbstverständlich,
dass verschiedene Änderungen
und Modifikationen ausgeführt
werden können
und es ist beabsichtigt, dass alle derartigen Modifikationen, die
im Umfang der Erfindung liegen, durch die beigefügten Ansprüchen abgedeckt sind.