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Gebiet der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Stanzsystem und Stanzverfahren,
und insbesondere auf Stanzverfahren zum Fertigen von Teilen mit hohen
Toleranzen für
verschiedene Anwendungen, wie etwa für Lichtleitfaseranschlüsse.
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Beschreibung verwandter Techniken:
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Bei
vielen Anwendungen sind Präzisionsteile erforderlich,
wie etwa bei der auf Lichtleitfasern basierenden Kommunikation.
Auf Lichtleitfasern basierende Kommunikationskanäle sind aufgrund ihres hohen
Leistungsvermögens
und ihrer kleinen Größe das System
der Wahl für
viele Anwendungen in der Verteidigung und für gewerbliche Anwendungen.
Insbesondere Lichtleitertechnik hat bei Anwendungen über große Entfernungen,
wie etwa Kommunikationsspannen zwischen Städten oder Kontinenten, aufgrund
der niedrigeren Kosten der Elektrisch-Optisch-Elektrisch-Umwandlungskomponenten (E-O-E-Komponenten),
Faserverstärker
und Faserkabel im Vergleich zu ausschließlich elektrischen Systemen,
die Kupferkoaxialkabel verwenden und keine E-O-E erfordern, „ihren
Wert bewiesen".
Diese Langstreckenfasersysteme können
zwischen Endpunkten Hunderte von Kilometern von Fasern aufweisen.
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Systeme
für kürzere Entfernungen
weisen typischerweise nur ein paar Dutzend Kilometer von Faser zwischen
Endpunkten auf, und Systeme für
ultrakurze Strecken (VSR-Systeme) weisen nur ein paar Dutzend Meter
von Faser zwischen Endpunkten auf. Obwohl Faserverbindungen für Telekommunikation
und Datenkommunikation in U-Bahn-, Zugangs- und Gebäudebereichen
im Vergleich zu Langstreckenverbindungen kurz sind, gibt es eine
große
Menge von ihnen. Die Anzahl an Komponenten, die für den Einsatz
von Faser für
diese Arten von Anwendungen erforderlich ist, ist groß. Bei diesen
kurzen Systemen ist der „Wertbeweis" der Lichtleitertechnik sehr
anfällig
für die
Kosten der E-O-E-Umwandlungsvorrichtungen
am Endpunkt und der sie unterstützenden
Schaltungen, sowie von jeglichen passiven und aktiven optoelektronischen
Vorrichtungen und Ausrüstungen,
die zwischen Endpunktenden verbunden sind. Entsprechend muss der
durchschnittliche Verkaufspreis gesenkt werden, damit optoelektronische aktive
und passive Komponenten, Unterbaugruppen und Baugruppen für Systeme über kurze
Entfernungen und VSR-Systeme „ihren
Wert beweisen".
Das Senken der durchschnittlichen Verkaufspreise wird dazu beitragen,
das Einheitsvolumen, das zur Rechtfertigung von Investitionen in
Hochgeschwindigkeitsfertigungstechnik notwendig ist, zu stimulieren.
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Ein
signifikantes Element der Kosten von sowohl aktiven und passiven
Faserkomponenten als auch Steckkabel ist der Faserstecker selbst.
Präzisionshülsen und
zugehörige
Mittel für
ihre Ausrichtung (z. B. Präzisionsspaltmuffen
für Einzelfaseranschluss,
Präzisionsschleifstifte
für Mehrfaseranschlüsse) dominieren
die Kosten der aktuellen Faserstecker. Die Ausrichtungskomponenten
sind normalerweise erforderlich, um Fasern auf aktive und passive
Vorrichtungen auszurichten, sowie um zwei Fasern für den abnehmbaren
Anschluss auszurichten. Die Präzisionsausrichtung
von zwei polierten Faserenden ist notwendig, um sicherzustellen,
dass der optische Gesamtverlust bei einer Faserverbindung gleich
dem oder weniger als das spezifizierte Verlustbudget eines optischen
Steckers für
ein System ist. Bei Einzelmodusfaser von Telekommunikationsgrad entspricht
dies typischerweise Toleranzen für
die Steckerfaserausrichtung, die weniger als 1000 nm betragen. Die
grundsätzliche
Gestaltung aktueller Stecker hat sich seit mehr als 20 Jahren nicht
mehr geändert, und
es wird allgemein zugestimmt, dass sie zuviel kosten und zu schwierig
zusammenzubauen sind. Die Fertigungskosten für Präzisionsfaserstecker müssen abnehmen,
wenn die Lichtleitertechnik für Kurzstrecken-
und VSR-Anwendungen das Kommunikationsmedium der Wahl werden soll.
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Stecker,
die sowohl bei Verbindungen mit parallelen Fasern als auch bei Verbindungen
mit Einzelfasern mit mehrfachen Gigabitraten arbeiten, müssen mit
Unterkomponenten zusammengebaut werden, die mit einer Präzision von
unter einem Mikrometer fabriziert wurden. Und wenn die Herstellung von
Teilen mit solchen Maßen
an Präzision
nicht schon schwierig genug wäre,
muss dies in einem völlig
automatischen, extrem schnellen Verfahren geschehen, damit sich
das resultierende Endprodukt rentiert.
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Bei
Fertigungsverfahren zum Herstellen von Teilen in großen Mengen
bei geringen Kosten sind Stanzverfahren eingesetzt worden. Bis dato
sind Stanzverfahren jedoch nicht effektiv gewesen, um Teile mit
akzeptablen Toleranzen für
optoelektronische Komponenten herzustellen. Tatsächlich gibt es kein akzeptables,
schnelles gewerbliches Herstellungsverfahren, das optoelektronische
Komponenten herstellt. Tatsächlich
gibt es kein akzeptables, schnelles gewerbliches Herstellungsverfahren,
das optoelektronische Komponenten mit akzeptablen Toleranzen für optoelektronische
Komponenten herstellt. Tatsächlich
gibt es kein akzeptables, schnelles gewerbliches Herstellungsverfahren,
das optoelektronische Komponenten mit akzeptablen Toleranzen herstellt.
Das
US-Patent Nummer 4,458,985 an
Balliet et al. betrifft einen Lichtleitfaserstecker. Balliet beschreibt
auf eine oberflächliche
Art und Weise, dass einige der Steckerkomponenten durch ein Präge- oder
Stanzverfahren hergestellt werden können (z. B. Spalte 3, Zeilen
20–21,
55–57).
Jedoch bietet Balliet keine ausreichende Offenbarung eines derartigen Stanzverfahrens,
geschweige denn eine ausreichende Offenbarung eines Stanzverfahrens
zum Herstellen von Teilen innerhalb von 1000 nm.
US 6122952 offenbart eine Umformpresse,
die in der Lage ist, mehrfache Operationen innerhalb eines einzigen Umformverfahrens
durchzuführen.
In diesem Fall befinden sich die Welle und der Stempel in Kontakt,
wobei es dazwischenliegende bewegliche Teile gibt.
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Es
ist daher wünschenswert,
eine Fertigungstechnik zur Verfügung
zu haben, die in der Lage ist, Teile für optoelektronische Anwendungen und
andere Anwendungen mit Toleranzen von innerhalb 1000 Nanometer herzustellen,
und die in der Lage ist, mit sehr hohen Geschwindigkeiten zu laufen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung
werden ein Gerät
und ein Verfahren, wie in den angehängten Ansprüchen definiert, bereitgestellt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Stanzsystem und -verfahren zum
Herstellen von Teilen, die Toleranzen von unter 1000 nm aufweisen.
Die Erfindung eignet sich besonders zum Herstellen von optoelektronischen
Teilen, einschließlich,
aber nicht beschränkt
auf Komponenten, Baugruppen und Unterbaugruppen sowie passive und
aktive Komponenten. Das System umfasst eine oder eine Folge von
Stanzstationen, um einen Stempel oder eine Matrize zu tragen. Die
Stanzstationen umfassen eine neuartige Konstruktion zum Führen des
Stempels in einer wesentlichen Ausrichtung zu der Matrize mit engen
Toleranzen. Das System umfasst eine Presse, um den Stanzstationen
die notwendige Kraft zum Durchführen
des besonderen Stanzarbeitsablaufs bereitzustellen.
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Bei
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das System entworfen,
um die Anzahl an beweglichen Komponenten, die in der Tragekonstruktion
daran beteiligt sind, den Stempel zur Matrize zu führen, zu
minimieren. Bei einer Ausführungsform umfasst
die Stanzstation keine bewegliche Komponente in der Tragekonstruktion
beim Führen
des Stempels zur Matrize. Die Stanzstation umfasst eine feststehende
Stempelhalterkonstruktion, die einen Schacht aufweist, der in Form
und Größe so beschaffen
ist, dass er den Stempel mit engen Toleranzen aufnimmt. Der Stempel
wird durch ein Gleiten durch den Schacht zu der Matrize geführt.
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Bei
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das System
eine Stellmontageplatte mit Indexmerkmalen, um die Folge von Stanzstationen
relativ zueinander präzise
auszurichten. Die Stellmontageplatte und ihre Indexmerkmale weisen
anspruchsvolle Toleranzen und Rautiefen von unter einem Mikrometer
auf.
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Bei
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das System
ein Kopplungsstellensystem zum Verkoppeln der Kraft der Presse mit
dem Stempel, wobei die Presse aber von dem Stempel strukturell entkoppelt
ist. Das Kopplungsstellensystem ermöglicht außerdem die Isolierung jeder
Stanzstation, so dass der Arbeitsablauf an einer Station den Arbeitsablauf
an einer anderen Station nicht beeinträchtigt. Bei einer anderen Ausführungsform
umfasst das System eine Kugelgelenksanordnung, die ermöglicht,
dass die Presse die Kraft mechanisch mit dem Stempel verkoppelt,
aber strukturell von dem Stempel entkoppelt. Bei einer anderen Ausführungsform
umfasst das System ein System mit einer hydraulischen Kopplungsstelle.
Hydraulikflüssigkeit verkoppelt
die Presse mechanisch mit dem Stempel und liefert eine gleichmäßige Kraft
auf den Stempel, aber entkoppelt die Presse strukturell von dem
Stempel. Bei noch einer weiteren Ausführungsform umfasst das System
eine Kombination aus der Kugelgelenksanordnung mit der hydraulischen
Operation des Stempels. Die hydraulische Operation ermöglicht die strukturelle
Entkopplung der Presse von dem Stempel, während die Kugelgelenksanordnung
das Reduzieren der strukturellen Beanspruchung der Stanzstationskomponenten
erleichtert. Durch das strukturelle Entkoppeln der Presse von der
ultrapräzisen
Bearbeitung an den Stanzstationen und der Werkzeugausstattung beeinflussen
die Ungenauigkeiten der Presse die ultrapräzisen Stanzstationen und die
ultrapräzise
Bearbeitung nicht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Für ein vollständigeres
Verständnis
der Beschaffenheit und Vorteile der Erfindung sowie für die bevorzugte
Weise ihrer Verwendung soll auf die folgende ausführliche
Beschreibung, gelesen im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen, verwiesen
werden. In den folgenden Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugsziffern
gleiche oder ähnliche
Teile in den gesamten Zeichnungen.
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1 ist
eine schematische Darstellung, die eine herkömmliche Stanzpresse veranschaulicht.
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2 ist
eine schematische Darstellung, die ein System zum Stanzen von Teilen
mit Toleranzen von unter 1000 nm gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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3a ist
eine perspektivische Ansicht einer Stanzstation gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3b ist
eine Schnittansicht der Stanzstation entlang der Linie 3b-3b in 3a.
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4 ist
eine perspektivische Ansicht einer Stanzstation gemäß einer
anderen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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5 ist
eine Baugruppenansicht der in 4 gezeigten
Stanzstation.
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6a ist
eine Schnittansicht der in 4 gezeigten
Stanzstation entlang der Linie 6a-6a.
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6b ist
eine Schnittansicht der Stanzstation entlang der in 4 gezeigten
Linie 6b-6b.
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7a ist
eine vereinfachte Zeichnung des Kopplungsstellensystems, das in
das Stanzsystem der vorliegenden Erfindung inkorporiert ist.
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7b ist
eine Schnittansicht, die das Kugelgelenk des Kopplungsstellensystems
im Eingriff veranschaulicht.
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8a ist
eine schematische Ansicht einer Stanzstation, die ein hydraulisches
Kopplungsstellensystem gemäß einer
anderen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung inkorporiert.
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8b ist
eine schematische Ansicht einer Stanzstation, die ein hydraulisches
Kopplungsstellensystem mit einer Kugelgelenksanordnung gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung inkorporiert.
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9a ist
eine perspektivische Ansicht des Stempels und der Matrize, die in 4 und 5 gezeigt
sind.
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9b ist
eine auseinander gezogene Ansicht des Stempels und der Matrize,
die in 9a gezeigt sind.
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9c ist
eine Schnittansicht der Matrize entlang der Linie 9c-9c in 9a.
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10a ist eine Endansicht einer optoelektronischen
Baugruppe, die von dem Stanzsystem der vorliegenden Erfindung hergestellt
wurde.
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10b ist eine perspektivische Ansicht des Halbhülsenteils,
das von dem Stempel und den Matrizeneinsätzen (in 9a gezeigt)
gestanzt wurde.
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10c ist eine Endansicht der in 10b gezeigten Hülsenhälfte.
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11a veranschaulicht eine Gestaltung in der „Streifenanordnung", um eine geprägte und
geschweißte
Hülse in
einer „Doppelform-Konfiguration" herzustellen.
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11b ist eine perspektivische Ansicht des fertigen
Hülsenteils,
das von der in 11a gezeigten „Gestaltung
mit Streifenanordnung" hergestellt wurde.
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12a veranschaulicht eine Gestaltung mit „Streifenanordnung", um eine sternförmig gebildete und
heftgeschweißte
Hülse,
die in einer gestanzten Spaltmuffe enthalten ist, herzustellen.
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12b ist eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe,
die die sternförmige
Hülse inkorporiert.
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12c ist eine Schnittansicht der Baugruppe entlang
der Linie 12c-12c, die in 12b gezeigt ist.
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13 ist
eine Endansicht einer Hülsenhälfte, die
durch ein Präge- und Umformverfahren
gefertigt wurde, im Querschnitt.
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14 ist
eine Querschnittsansicht eines Stempels für Mehrfaserhülsen, der
verwendet wird, um eine Mehrfaserhülsenhälfte zu prägen.
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15 ist
eine perspektivische Ansicht einer umgeformten Mehrfasermuffe, die
eine Mehrfaserhülse
umschließt.
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16 eine
Draufsicht der Stellmontageplatte.
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17 ist
ein Graph, der Daten für
ein gemessenes Profil des 12-Faser-Stempels
zeigt, über die
Daten gelegt sind, die für
ein probegeprägtes
Teil erhalten wurden.
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18 ist
eine schematische Darstellung, die eine durch die Finite-Elemente-Analyse
(FEA) vorhergesagte Füllung
des 304-Rohlings in einer offenen Matrizenkonfiguration zeigt.
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19 ist
eine Photographie, die drei Faserkerben eines geprägten 12-Faser-Hülsenprobestücks zeigt.
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20 ist
ein Graph, der die Daten des gemessenen Profils der gleichen Faserkerbe
von drei 304-Edelstahlprobestücken
und die Daten des gemessenen Profils dieses Merkmals auf dem Stempel veranschaulicht.
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21 ist
ein Graph, der die Höchstabweichung
der Kerbenposition relativ zu der mittleren Position für drei unterschiedliche
probegestanzte Teile veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Diese
Erfindung wird nachfolgend in Bezug auf verschiedene Ausführungsformen
mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
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Während diese
Erfindung hinsichtlich der besten Weise zum Erreichen der Ziele
dieser Erfindung beschrieben wird, versteht der Fachmann, dass angesichts
dieser Lehren Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne den Sinn oder den
Bereich der Erfindung zu verlassen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Stanzsystem und -verfahren zum
Herstellen von Teilen, die Toleranzen von unter 1000 Nanometer (nm)
aufweisen. Das erfinderische System und Verfahren eignen sich besonders
zum Herstellen von optoelektronischen Teilen, einschließlich, aber
nicht beschränkt auf
Komponenten, Baugruppen und Unterbaugruppen sowie passive und aktive
Komponenten. Zum Zweck der Veranschaulichung der Prinzipien der
vorliegenden Erfindung und nicht zur Beschränkung wird die vorliegende
Erfindung unter Bezug auf Ausführungsformen
beschrieben, die Stanzverfahren zum Fertigen von optoelektronischen
Komponenten, insbesondere Lichtleitfasersteckern wie etwa Hülsen und
Spaltmuffen betreffen.
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HERKÖMMLICHES STANZVERFAHREN
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Vollständigkeitshalber
ist es lehrreich, kurz ein herkömmliches
Stanzverfahren zu beschreiben. Stanzen ist ein Fabrikationsverfahren,
das ein Arbeitsstück
wie etwa einen Metallstreifen zwischen einer Führungsgestellbaugruppe in eine
zuvor festgelegte Form oder ein zuvor festgelegtes Muster presst. Stanzpressen
und Stanzmatrizen sind Werkzeuge, die in dem Stanzverfahren verwendet
werden. 1 ist eine schematische Darstellung,
die eine herkömmliche
Stanzpresse 10 veranschaulicht. Die Stanzpresse 10 umfasst
einen Pressenstößel 20 und einen Pressentisch 30.
Der Pressenstößel 20 stellt die
notwendige Kraft bereit, um durch das Bewegen der Komponenten der
Führungsgestellbaugruppe
relativ zueinander ein Arbeitsstück
zu stanzen. Der Pfeil zeigt die Hubtätigkeit des Pressenstößels 20, der
sich relativ zu dem Pressentisch 30 auf und ab bewegt.
Der Pressenstößel kann
jedoch andere Richtungen der Hubtätigkeit aufweisen (nicht gezeigt).
Eine Führungsgestellbaugruppe 40,
die sich zwischen dem Pressenstößel 20 und
dem Pressentisch 30 befindet, ist die Werkzeugausstattung,
die zum Herstellen der gestanzten Teile verwendet wird. Die Führungsgestellbaugruppe 40 umfasst
einen Stempel 50, der strukturell mit dem Pressenstößel 20 verkoppelt
ist, und eine darauf abgestimmte Matrize 60, die an dem
Pressentisch 30 befestigt ist, oder umgekehrt. Die Stanzpresse 10 kann
eine Einspannplatte 65 umfassen, die an der Oberseite des
Pressentischs 30 befestigt ist, um die Matrize 60 an
dem Pressentisch 30 zu befestigen. Der Stempel 50 und die
Matrize 60 sind aufeinander ausgerichtet, so dass der Stempel 50 und
die Matrize 60 auf eine aufeinander abgestimmte Art und
Weise arbeiten, um einen gewünschten
Arbeitsablauf in dem Arbeitsstück
umzusetzen, während
sich der Pressenstößel 20 in Richtung
des Pressentischs 30 bewegt.
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Bei
einem Stanzarbeitsablauf wird ein Arbeitsstück 70 zwischen dem
Stempel 50 und der Matrize 60 positioniert. Wenn
die Presse 10 betätigt wird,
bewegt der Pressenstößel 20 den
Stempel 50 in Richtung der Matrize 60. Der Stempel
wird durch Führungspfosten
und Buchsen (nicht gezeigt) und den Pressenstößel 20 zur Matrize
geführt.
Während der
Stempel 50 und die Matrize 60 zusammenkommen,
wird das Arbeitsstück 70,
das sich zwischen dem Stempel 50 und der Matrize 60 befindet,
gestanzt. Die Führungsgestellbaugruppe
kann verschiedene Arbeitsabläufe,
wie Schneide- und Umformarbeitsabläufe wie Schneidarbeit, Ziehen,
Biegen, Stanzbördeln
und Falzen, an dem Werkstück
durchführen.
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Mehrere
mögliche
Bedingungen könnten eine
Fehlausrichtung des Stempels 50 und der Matrize 60 herbeiführen. Die
Presse könnte
falsch ausgerichtet werden. Da der Stempel 50 strukturell
mit dem Stößel 20 verkoppelt
ist, wird die Ausrichtung des Stempels 50 zur Matrize 60 ebenfalls
durch die Fehlausrichtung des Stößels 20 beeinträchtigt.
Außerdem
könnten
sich die Buchsen mit der Zeit abnutzen, und der Zwischenraum zwischen
den Buchsen und den Führungspfosten
würde zunehmen,
was in einer Fehlausrichtung von Stempel und Matrize resultiert.
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Das
US-Patent Nr. 6,311,597
B1 offenbart eine komplexe Gestaltung eines Stanzsystems,
die einen Abstreifer als Führungspfosten
und ein Matrizennest als Führungsbuchse
verwendet. Die Matrizenbuchse führt
einen Stempel indirekt zu einer Matrize, indem eine Stempelbaugruppe,
die den Stempel trägt,
direkt geführt
wird. Die Stempelbaugruppe beinhaltet den Stempel, der auf einem
Stempelschuh montiert ist, und einen Abstreiferführungspfosten mit einem Kugelkäfig, der
an dem Stempelschuh montiert ist. Das Matrizennest führt den
Abstreiferführungspfosten
und führt
daher indirekt den Stempel.
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Diese
komplexe Gestaltung ist anfällig
für die Fehlausrichtung
von Stempel und Matrize. Damit der Stempel auf die Matrize ausgerichtet
sein kann, ist es von kritischer Bedeutung, dass der Stempel in
Ausrichtung auf den Stempelschuh montiert ist und der Abstreifer
in Ausrichtung auf den Stempelschuh montiert ist. Jegliche Fehlausrichtung
beim Zusammenbauen irgendwelcher dieser Komponenten resultiert in
einer Fehlausrichtung von Stempel und Matrize. Diese Gestaltung
setzt beim Führen
des Stempels zu der Matrize außerdem
mindestens eine bewegliche Komponente ein, was das Potential zur Fehlausrichtung
erhöhen
kann. Die Stempelbaugruppe bewegt sich innerhalb des Matrizennestes,
um den Stempel zur Matrize zu führen.
Jedwede geringfügige
außermittige
Bewegung der Stempelbaugruppe innerhalb des Matrizennestes resultiert
in der Fehlausrichtung des Stempels relativ zu der Matrize. Durch
das Verwenden eines Kugelkäfigs
in der Gestaltung wird das Potential für eine Fehlausrichtung weiter
verstärkt.
Aufgrund seiner Eigenheit ermöglichen
die Kugellager außermittige
Bewegung des Abstreifers innerhalb des Matrizennestes, was in einer möglichen
Fehlausrichtung von Stempel und Matrize resultiert.
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TOLERANZ DEFINIERT
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Wie
gesagt sind das Stanzsystem und -verfahren der vorliegenden Erfindung
in der Lage, Teile mit einem geometrischen „Sechs-Sigma"-Toleranzband von 1000 nm herzustellen.
Statistisch bedeutet dies, das höchstens
lediglich 3,4 Teile pro Million die Abmessungsanforderungen, welche
durch das 1000-nm-Toleranzband
definiert werden, nicht erfüllt. Bei
einer Normalverteilung muss, um ein Sechs-Sigma-Verfahren zu erreichen,
die Standardabweichung des kompletten Verfahrens weniger als oder
gleich 83 nm sein [(1000 nm/2)/6 = 83 nm)], vorausgesetzt, der Mittelwert
des Verfahrens bleibt konstant. In der Praxis müssen Verschiebungen des Verfahrensmittelwerts
berücksichtigt
werden. In dem Fall, in dem die Verschiebung des Verfahrensmittelwerts ±1,5· Sigma
berücksichtigt
wird, wird die maximale Standardabweichung auf 67 nm reduziert [(1000 nm/2)/7,5
= 67 nm]. Wiederum unter Annahme normaler Statistik muss, um dies
in einem Mehrstufenverfahren mit n Präzisionsstufen zu erreichen,
jede der n Stufen Sigma/n^0,5 aufweisen. Wenn in diesem Beispiel
also n = 4 ist, ist Sigma (pro Stufe) weniger als oder gleich 33
nm.
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ÜBERSICHT ÜBER DAS STANZSYSTEM
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2 ist
eine schematische Darstellung, die ein System 100 zum Stanzen
von optoelektronischen Komponenten mit Toleranzen von unter 1000
nm gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das Stanzsystem 100 umfasst ein
Mittel zur Inline-Bearbeitung von Ausgangsmaterial 150,
eine Stanzpresse 200, eine oder eine Folge von Stanzstationen 250 und
eine Stellmontageplatte 300 für Stanzstationen.
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INLINE-BEARBEITUNG VON AUSGANGSMATERIAL
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Das
Stanzsystem 100 kann ein Mittel 150 zur Inline-Bearbeitung
von Ausgangsmaterial 110 zu Werkstücken, die zuvor festgelegte
Abmessungen und Oberflächenqualität aufweisen,
umfassen. Zum Beispiel hat Moore Nanotechnology Systems Maschinenwerkzeuge
entwickelt, die flüssigkeitsgekühlte, ölhydrostatische
Lager einsetzen, die eine Programmierauflösung von 10 nm, eine Bewegungsgenauigkeit
von 50 nm und Rückkopplungsauflösung von
8,6 nm aufweisen. Diese Maschinenwerkzeuge können angepasst werden, um das
Ausgangsmaterial 110 inline zu bearbeiten, während es
vor dem Kommen in die Stanzstationen 250 von der Abwickelhaspel
ausgegeben wird. Dies stellt sicher, dass das Ausgangsmaterial oder
Werkstück,
wenn es in die Stanzstationen 250 kommt, in jeder Stanzstation
mit einer Präzision
von unter einem Mikrometer, die notwendig ist, um optoelektronische
Komponenten mit Toleranzen von unter 1000 nm herzustellen, erfasst wird.
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STANZPRESSE
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Das
Stanzsystem 100 umfasst die Stanzpresse oder eine speziell
angefertigte Hochgeschwindigkeitsenergiequelle 200, um
die Stanzstationen 250 mit Energie zu versorgen. Die Stanzpresse 200 kann
eine beliebige herkömmliche
Stanzpresse sein, die auf dem Gebiet bekannt ist (z. B. hydraulisch,
elektromechanisch usw....), die die Stanzstationen 250 unterstützen und
mit der notwendigen Kraft versehen kann, um die bestimmten Stanzarbeitsabläufe durchzuführen. Die
Stanzpresse 200 umfasst einen Pressenstößel 210 und einen
Pressentisch 220. Wie nachfolgend ausführlicher erörtert, befinden sich die Stanzstationen 250 zwischen
dem Pressenstößel 210 und
dem Pressentisch 220. Der Pressentisch 220 trägt die Stanzstationen 250,
und der Pressenstößel 210 liefert
die notwendige Kraft an die Stanzstationen 250, um die
Stanzarbeitsabläufe durchzuführen. Es
ist wohl bekannt, dass Stanzpressen Hubtätigkeiten mit Geschwindigkeiten
oberhalb von 1000 Hüben
pro Minute (SPM) aufweisen können.
Zusätzlich
dazu kann das Stanzsystem mehr als eine Stanzpresse umfassen, um
die Stanzstationen mit Energie zu versorgen.
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STANZSTATION – ERSTE
AUSFÜHRUNGSFORM
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3a ist
eine perspektivische Ansicht einer Stanzstation 400 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. 3b ist
eine Schnittansicht der Stanzstation entlang der in 3a gezeigten
Linie 3b-3b. Die Stanzstation 400 umfasst eine Konstruktion
zum Tragen der Führungsgestellbaugruppe
und zum direkten Führen
des Stempels zu der Matrize. Die Stanzstation 400 umfasst
eine feststehende Stempelhalterplatte 410 zum Tragen eines Stempels 420 und
eine Matrizenhalterplatte 440 zum Tragen einer Matrize 450.
Die Stempelhalterplatte 410 funktioniert, um den Stempel 420 auf
die Matrize 450 auszurichten und direkt dorthin zu führen. Die Stempelhalterplatte 410 weist
einen Schacht 430 auf, der in Größe und Form so beschaffen ist,
dass er den Stempel 420 gleitfähig aufnimmt und den Stempel 420 zu
der Matrize 450 führt.
Der Schacht 430 ermöglicht
es dem Stempel 420, sich zu verschieben und die Stempelhalterplatte 410 in
gleitfähigem
Kontakt mit dem Schacht 430 zu durchdringen. Der Schacht 430 richtet
den Stempel 420 auf die Matrize 450 aus, wobei
er den Stempel 420 zu einem Werkstück 455 und der Matrize 450 führt. Die
Matrizenhalterplatte 440 erleichtert auch das Ausrichten
der Matrize 450 auf den Stempel 420. Die Matrize 450 ist fest
auf der Matrizenhalterplatte 440 ausgerichtet, auf eine
Weise, durch die, während
der Stempel 420 den Schacht 430 in Richtung der
Matrizenhalterplatte 440 durchdringt, sich der Stempel 420 der
Matrize 450 auf eine aufeinander abgestimmte Weise annähert, um
an dem Werkstück 455 zu
arbeiten.
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Zwischen
den Stempel- und Matrizenhalterplatten 410 und 440 wird
ein Arbeitsbereich 460 definiert, indem zwischen den Platten 410 und 440 Abstandsstücke 470 bereitgestellt
werden. Der Arbeitsbereich 460 ist ein Bereich, in dem
die Stanzarbeitsabläufe
auftreten. Das Werkstück 455 wird
in den Arbeitsbereich 460 eingeführt, wo es gestanzt wird, um einen
gewünschten
Arbeitsablauf an dem Werkstück 455 durchzuführen, z.
B. um eine gewünschte
Form eines Teils zu bilden. Der Arbeitsbereich 460 ist
ein ausreichender Bereich, um den Stempel 420 und die Matrize 450,
das Werkstück
und das fertige gestanzte Teil unterzubringen. Der Fachmann kann
erkennen, dass die Abmessungen der Abstandsstücke 470 variiert werden
können,
insbesondere die Dicke der Abstandsstücke 470, um die gewünschten
Abmessungen des Arbeitsbereiches 460 bereitstellen zu können.
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Die
Stanzstation 400 umfasst einen Anschlagklotz 480,
um dem Pressenstößel 210 (in 2 gezeigt)
ein Sicherheitsanschlagstück
bereitzustellen. Der Anschlagklotz 480 ist zwischen dem Pressenstößel 210 und
der oberen Oberfläche
der Stempelhalterplatte 410 angeordnet. Wenn der Pressenstößel 210 in
Richtung der Station 400 betätigt wird, berührt der
Anschlagklotz 480 den Pressenstößel 210, um ein weiteres
Eindringen des Stempels 420 in die Stanzstation 400 zu
hemmen. Der Anschlagklotz 480 regelt die Tiefe des Eindringens
des Stempels 420 in die Stanzstation 400. Die
Eindringtiefe kann geregelt werden, indem die Dicke des Anschlagklotzes 480 variiert
wird. Der Fachmann kann erkennen, dass der Anschlagklotz 480 aus
jedem beliebigem Material von ausreichender Härte, um der wiederholten Einschlagkraft
des Pressenstößels 210 widerstehen
zu können,
angefertigt sein kann. Des Weiteren kann der Anschlagklotz 480 jede
beliebige Konfiguration aufweisen, die ermöglicht, dass der Anschlagklotz 480 die
Tiefe des Eindringens des Stempels 420 regelt.
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Der
Stempel 420 kann mit Federn 490 oder anderen Vorspannmitteln
zum Zurückbringen
des Stempels 420 in die offene Position verkoppelt sein. Während der
Stempel 420 in Richtung der Matrize 450 bewegt
wird, spannen sich die Federn 490. Sobald die Kraft des
Pressenstößels 210 nicht
mehr wirkt, bewegen die Federn 490 den Stempel 420 von der
Matrize 450 weg.
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Beim
Zusammenbauen der Stanzstation 400 wird die Stempelhalterplatte 410 auf
der Matrizenhalterplatte 440 montiert, wobei die Abstandsstücke 470 zwischen
den Platten 410 und 440 positioniert werden. Der
Anschlagklotz 480 wird dann auf der oberen Oberfläche der
Stempelhalterplatte 410 montiert. Befestigungselemente,
die auf dem Stand der Technik wohl bekannt sind, können verwendet
werden, um die Komponenten der Stanzstation 400 zusammenzuschließen. Zum
Beispiel können
Bohrungen 485 bereitgestellt werden, um Bolzen aufzunehmen
(nicht gezeigt), um die Komponenten der Stanzstation 400 zusammenzuschließen. Wenn
sie zusammengeschlossen sind, sind die Komponenten der Stanzstation 400 zu
einer einheitlichen Konstruktion zusammengebaut.
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STANZSTATION – ZWEITE
AUSFÜHRUNGSFORM
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4 ist
eine perspektivische Ansicht einer Stanzstation 500 gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. 5 ist eine
Baugruppenansicht der in 4 gezeigten Stanzstation 500. 6a und 6b sind
Schnittansichten der in 4 gezeigten Stanzstation 500 entlang
den Linien 6a-6a bzw. 6b-6b.
Die Stanzstation 500 umfasst eine feststehende, monolithische
Halterkonstruktion 510 der Führungsgestellbaugruppe zum
Tragen der Führungsgestellbaugruppe.
Der Führungsgestellhalter 510 umfasst
einen Stempelhalterabschnitt 520 zum Tragen und Führen eines
Stempels 530. Der Stempelhalterabschnitt 520 weist
einen Schacht 540 auf, der in Größe und Form so beschaffen ist,
dass er den Stempel 530 gleitfähig aufnimmt und stützt. Der Schacht 540 ist
in 6 gezeigt. Der Schacht 540 ermöglicht es,
dass sich der Stempel 530 durch den Führungsgestellhalter 510 verschiebt
und ihn durchdringt. Der Stempel 530 gleitet in Kontakt
innerhalb des Schachtes 540. Der Schacht 540 erleichtert
es, den Stempel 530 relativ zu der Matrize auszurichten, wobei
der Stempel 530 zu einem Werkstück 595 (in 5 gezeigt)
und der Matrize geführt
wird. Der Führungsgestellhalter 510 umfasst
auch einen Matrizenhalterabschnitt 550 zum Tragen einer
Matrize 560. Die Matrize 560 umfasst die Matrizeneinsätze 562, 563 und 564.
Die Matrizeneinsätze 563 und 564 stecken
innerhalb der Aussparungen 565 bzw. 566. Der Matrizenhalterabschnitt 550 umfasst
eine Aussparung 570 (in 6a und 6b gezeigt)
zum Einstecken der Matrize 560. Die Aussparung 570 ist
in Größe und Form
so beschaffen, dass sie die Matrize 560 präzise aufnimmt
und einstecken lässt.
Eine Stützplatte 580 ist
bereitgestellt, um die Matrize 560 innerhalb der Aussparung 570 zu
sichern. Sobald die Matrize 560 innerhalb der Aussparung 570 steckt,
wird die Stützplatte 580 an
der Unterseite des Führungsgestellhalters 510 gesichert,
um die Matrize 560 innerhalb der Aussparung 570 zu
sichern. Die Matrize 560 ist fest in dem Matrizenhalterabschnitt 550 ausgerichtet,
auf eine Weise, durch die, während
der Stempel 530 den Schacht 540 in Richtung der
Matrize 560 durchdringt, sich der Stempel 530 der
Matrize 560 auf eine aufeinander abgestimmte Weise annähert, um
an dem Werkstück 595 zu
arbeiten. Ein Arbeitsbereich 590 ist zwischen den Stempel-
und Matrizenhalterabschnitten 520 und 550 definiert.
Der Arbeitsbereich 590 ist ein Bereich, in dem Stanzarbeitsabläufe auftreten.
Das Werkstück 595 wird
in den Arbeitsbereich 590 eingeführt, wo es gestanzt wird, um einen
gewünschten Arbeitsablauf
an dem Werkstück 595 durchzuführen. Der
Arbeitsbereich 590 ist ein ausreichender Bereich, um den
Stempel 530 und die Matrize 560, das Werkstück 595 und
das fertige gestanzte Teil (nicht gezeigt) unterzubringen.
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Die
Stanzstation 500 umfasst einen Anschlagklotz 600,
um dem Pressenstößel 210 (in 2 gezeigt)
ein Sicherheitsanschlagstück
bereitzustellen. Der Anschlagklotz 600 befindet sich zwischen
dem Pressenstößel 210 und
der oberen Oberfläche
des Führungsgestellhalters 510.
Der Anschlagklotz 600 regelt die Tiefe des Eindringens
des Stempels 530 in die Stanzstation 500. Der
Stempel 530 kann mit Federn 610 oder anderen Vorspannmitteln
zum Zurückbringen
des Stempels 530 in eine offene Position verkoppelt sein.
Während
der Stempel 530 in Richtung der Matrize 560 bewegt
wird, spannen sich die Federn 610. Sobald die Kraft des
Pressenstößels 210 nicht
mehr wirkt, bewegen die Federn 610 den Stempel 530 von
der Matrize 560 weg.
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Die
Stanzstation 500 umfasst außerdem einen Auswerfer 612,
um das gestanzte Teil 595 nach einem Stanzarbeitsablauf
aus der Matrize 560 auszuwerfen. Der Auswerfer 612 umfasst
einen Ausheber 614 und eine Feder 616 oder ein
anderes Vorspannmittel. Wie nachfolgend ausführlicher erörtert, ist der Auswerfer 612 innerhalb
eines ausgehöhlten Teilabschnitts
des Matrizeneinsatzes 562 angeordnet, so dass der Ausheber 614 in
der Lage ist, durch den ausgehöhlten
Teilabschnitt des Matrizeneinsatzes 562 in das gestanzte
Teil 595 zu greifen.
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Bei
der in 3 gezeigten Ausführungsform der
Stanzstation 400 werden die Stempel- und Matrizenhalterplatten 410 und 440 miteinander
zusammengebaut, um eine einheitliche Konstruktion zum Tragen des
Stempels 420 und der Matrize 450 zu bilden. Bei
der in 4 gezeigten Ausführungsform der Stanzstation 500 werden
die Konstruktionen zum Tragen des Stempels 530 und der
Matrize 560 als eine monolithische Konstruktion bereitgestellt.
Der Führungsgestellhalter 510 wird
eine unnachgiebigere und stabilere Konstruktion, was ermöglicht,
dass der Führungsgestellhalter 510 den
Stempel 530 genauer zu der Matrize 560 führt.
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STANZSTATION – DRITTE
AUSFÜHRUNGSFORM
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8a ist
eine schematische Ansicht einer Stanzstation 800 gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Stanzstation 800 umfasst
eine Matrizenhalterplatte 850 zum Tragen einer Matrize 840,
und einen Schacht 810 zum Stützen und Führen eines Stempels 860 zu
der Matrize 840. Der Schacht 810 ist in Größe und Form so
beschaffen, dass er den Stempel 860 gleitfähig aufnimmt
und stützt,
was es dem Stempel 860 ermöglicht, sich in Längsrichtung
durch den Schacht in Richtung der Matrize 840 und weg von
ihr zu verschieben. Der Schacht 810 erleichtert die Ausrichtung
des Stempels 860 zu der Matrize 840 und führt den
Stempel 860 zu der Matrize 840. In dem Hubweg des
Stempels 860 befinden sich einstellbare mechanische Anschlagstücke 880,
um die Schiebung des Stempels 860 in Richtung der Matrize 840 zu
begrenzen. Der Stempel 860 ist mit einer Sperre 830 versehen,
die in die Anschlagstücke 880 eingreifen kann,
um die weitere Schiebung des Stempels 860 in Richtung der
Matrize 840 zu begrenzen. Ein Abstandsstück 895 wird
bereitgestellt, um die Position des mechanischen Anschlagstücks 880 relativ
zu der Sperre 830 einzustellen. Das Abstandsstück 895 kann
Winkelkeile und Schrauben zur mikrometerweisen Einstellung der Abstandsstücke 895 beinhalten.
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KOPPLUNGSSTELLENSYSTEM
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Das
Stanzsystem 100 umfasst ein Kopplungsstellensystem 700,
das die Kraft von der Presse 200 mechanisch an die Stanzstation 250 (im
Wesentlichen in 2 gezeigt) koppelt, aber die
Presse 200 strukturell von der Stanzstation 250 entkoppelt. 7a ist
eine vereinfachte Zeichnung des Kopplungsstellensystems 700,
das in das Stanzsystem 100 der vorliegenden Erfindung inkorporiert
ist. Wie oben erwähnt,
ist die Stanzpresse 200 in der Lage, die notwendige Kraft
für die
Stanzarbeitsabläufe
an die Stanzstation 250 zu liefern. Die Kraft wird über das
Kopplungsstellensystem 700 an die Stanzstation 250 geliefert.
Bei einer Ausführungsform
ist das Kopplungsstellensystem 700 eine Kugelgelenksanordnung.
Ein Stempel 710 ist mit einem Kugelkopf 720 versehen,
und der Pressenstößel 210 ist
mit einer Kugelpfanne 730 versehen. Alternativ dazu kann eine
Anpassungsplatte (nicht gezeigt), die an dem Pressenstößel 210 befestigt
werden kann, mit der Kugelpfanne versehen sein. Wenn der Pressenstößel 210 in
den Stempel 710 eingreift, greift der Kugelkopf 720 in
die Kugelpfanne 730 ein. 7b veranschaulicht
den Kugelkopf 720, der in die Fassung 730 eingreift.
Das Kopplungsstellensystem 700 erleichtert das Koppeln
der Kraft von der Stanzpresse 200 an die Stanzstation 250.
Das Kopplungsstellensystem 700 ermöglicht auch, dass die Stanzstation 250 strukturell
von der Stanzpresse 200 entkoppelt ist. Keine der Komponenten
der Stanzstation 250 ist auf irgendeine Art und Weise an
dem Pressenstößel 210 direkt
fixiert oder verbolzt, so dass sie von den relativen Ungenauigkeiten
der Presse 200 nicht beeinträchtigt werden. Herkömmliche
Stanzpressen werden natürlicherweise
nicht zu engen Toleranzen gebaut. Des Weiteren neigen Hochgeschwindigkeitsverfahren,
die mit großen
Kräften
arbeiten, dazu, Vibrationen und eine Variabilität der Abmessungen mit sich
zu bringen. Durch das strukturelle Entkoppeln der Presse 200 von
den Stanzstationen 250 wird die Variabilität der Abmessungen
der Presse 200 von den ultrapräzisen Stanzstationen 250 und
den Einsätzen
der Führungsgestellbaugruppe
isoliert. Die Presse 200 kann einfach eine schnelle, wiederholbare
Quelle von Energie sein, die mit relativ weiten Toleranzen konfiguriert
ist und Kräfte
an die ultrapräzisen
Werkzeuge und Matrizen an den Stanzstationen 250 liefert.
Es sollte dem Fachmann bekannt sein, dass die Kugelgelenksanordnung
umgekehrt werden kann, so dass der Stempel mit dem Fassungsgelenkstück und der
Pressenstößel mit
dem Kugelkopfgelenkstück
versehen ist.
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Bezugnehmend
auf 8a kann das System 100 bei einer alternativen
Ausführungsform
ein hydraulisches Kopplungsstellensystem umfassen, um die Kraft
der Presse mit der Stanzstation 800 zu koppeln. Das Kopplungsstellensystem
umfasst eine Betätigungsscheibe 820,
die innerhalb des Schachtes 810 angeordnet ist, an einem
Ende zwischen dem Pressenstößel und
der Stempelhalterplatte. Die Betätigungsscheibe 820 ist
auch in der Lage, sich innerhalb des Schachtes in Längsrichtung
zu verschieben. Der Schacht 810 ist mit einem Ventil 870 versehen, das
sich zwischen der Betätigungsscheibe 820 und der
Stempelhalterplatte 830 befindet, um den Schacht 810 mit
Hydraulikflüssigkeit
unter geringem Druck zu versehen.
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Im
Betrieb wird der Schacht 810 über das Ventil 870 mit Hydraulikflüssigkeit
unter geringem Druck versorgt. Der Pressenstößel 210 drückt durch den
Schacht 810 auf die Betätigungsscheibe 820,
bis die Betätigungsscheibe 820 das
Ventil 870 schließt. Sobald
das Ventil 870 geschlossen ist, steigt der Flüssigkeitsdruck
in dem Schacht 810 an, um eine Kraft auf die Stempelhalterplatte 830 auszuüben, um die
Stempelhalterplatte 830 und den Stempel 860 zu bewegen.
Die Kraft auf die Stempelhalterplatte 830 ist im Wesentlichen
gleichmäßig. Der
Vektor der Kraft ist in eine Richtung wirkend senkrecht zu der Fläche der
Stempelhalterplatte.
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Das
hydraulische Kopplungsstellensystem kann auch eine Kugelgelenksanordnung
umfassen. 8b ist eine schematische Ansicht
des hydraulischen Kopplungsstellensystems, das eine Kugelgelenksanordnung
inkorporiert. Die Betätigungsscheibe 820 kann
mit einem Kugelkopf 920 versehen sein, und der Pressenstößel 210 kann
mit einer Fassung 930 versehen sein, oder umgekehrt. Wenn
der Pressenstößel 210 in
die Betätigungsscheibe 820 eingreift,
greift der Kugelkopf 920 in die Kugelpfanne 930 ein.
Das Einschließen
des Kugelkopfs 920 und der Fassung 920 stellt
weitere Vorteile des Minimierens der strukturellen Beanspruchung
der Komponenten der Stanzstationen bereit. Die hydraulische Betätigung ermöglicht,
dass die Richtung der auf den Stempel 860 angewendeten
Kraft von der Richtung der von dem Pressenstößel 210 ausgeübten Kraft unabhängig ist.
Die Anordnung mit dem Kugelkopf 920 und der Fassung 930 reduziert
die Verformung, die durch Scher- und Biegekräfte, welche aus Fehlausrichtungen
der Presse resultieren, in die Konstruktion, welche den hydraulischen
Mechanismus wie etwa die Betätigungsscheibe 820 hält, und
den Stempel 210 eingebracht wird.
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Das
Kopplungsstellensystem erleichtert das Koppeln der Kraft von der
Stanzpresse 200 mit der Stanzstation. Das Kopplungsstellensystem
ermöglicht
auch, dass die Stanzstation strukturell von der Stanzpresse 200 entkoppelt
ist. Mit der Stempelhalterplatte 830 verkoppelte Federn 910 können die Stempelhalterplatte 830 weg
von der Matrize 840 zurückbringen.
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FÜHRUNGSGESTELLBAUGRUPPE
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9a ist
eine perspektivische Ansicht des Stempels 530 und der Matrize 560,
die in 4 und 5 gezeigt sind. Der Stempel 530 und
die Matrize 560 beinhalten Blöcke mit gestalteten Oberflächen, Haltesteinen,
Stempeln, Nocken, Sensoren und anderen Objekten. Diese Stanzwerkzeuge
sind mit Toleranzen von unter 500 nm entworfen und gebaut. Dies
ermöglicht
die präzise
Lokalisierung des Stempels 530 und der Matrize 560 in
den Stanzstationen 250. Der Stempel 530 und die
Matrize 560 können
so gestaltet werden, dass sie zwischen Stanzstationen ausgetauscht
werden können. 9b ist
eine auseinander gezogene Ansicht des Stempels 530 und der
Matrize 560, die in 9a gezeigt
sind. Die Matrize 560 umfasst die Matrizeneinsätze 562, 563 und 564 (die
Matrizeneinsätze 563 und 564 sind
nicht skalentreu gezeigt). Die Matrizeneinsätze 563 und 564 sind
innerhalb der Aussparungen 565 und 566 des Matrizeneinsatzes 562 eingesteckt. 9c ist eine
Schnittansicht der Matrize 560 entlang der Linie 9c-9c
in 9a. Die Matrize 560 umfasst eine gestalteten
Oberfläche 1020 und
einen ausgehöhlten
Teilabschnitt 1030, der eine Öffnung 1025 zu der
gestalteten Oberfläche 1020 definiert.
Der Ausheber 614 und die Feder 616 sind innerhalb
des ausgehöhlten Teilabschnitts 1030 angeordnet.
Wenn das gestanzte Teil (nicht gezeigt) nach dem Stanzarbeitsablauf noch
an der Matrize 560 haftet, sind der Ausheber 614 und
die Feder 616 in der Lage, das gestanzte Teil aus der gestalteten
Oberfläche 1020 auszuwerfen. Der
Ausheber 614 ist in der Lage, durch die Öffnung 1025 in
das gestanzte Teil einzugreifen.
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FOLGE
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Wieder
unter Bezug auf 2 ist das Stanzsystem 100 in
der Lage, eine Folge von Stanzstationen 250 zu tragen.
Zum Beispiel zeigt 2 das System 100, das
drei Stanzstationen 260, 261 und 262 trägt. Die
Folge der Stanzstationen 250 funktioniert wie eine herkömmliche
progressive Matrize, wobei jede der Stanzstationen 260, 261 und 262 einen
spezifischen Stanzarbeitsablauf durchführt. Die Folge der Stanzstationen 250 ermöglicht,
dass das System 100 mit jedem Hub der Stempelpresse 200 mehrere Merkmale
gleichzeitig in dem gefertigten Teil herstellt. Das System 100 umfasst
eine Stellmontageplatte 300, die auf dem Pressentisch 220 angeordnet ist,
um die Stanzstationen 250 relativ zueinander präzise auszurichten. 16 ist
eine Draufsicht der Stellmontageplatte 300, die in die
vorliegende Erfindung inkorporiert ist. Die Stellmontageplatte 300 ist mit
Indexmerkmalen 310 versehen, um die Stanzstationen 250 relativ
zueinander mit einer Präzision
von unter einem Mikrometer zu lokalisieren. Bei einer Ausführungsform
können
die Indexmerkmale 310 maschinell präzise gefertigte Kerben oder
Schlitze 320 auf einer der Montageplattenoberflächen sein. Die
Kerben 320 sind in Größe und Form
präzise
beschaffen, um die Basis der Stanzstationen 250 aufzunehmen.
Sobald die Stanzstationen 250 innerhalb der Kerben 320 positioniert
sind, lokalisiert die Montageplatte 300 die Stanzstationen 250 präzise relativ zueinander
mit einer Präzision
von unter einem Mikrometer. Es können
mehr als eine Stellmontageplatte, die zueinander ausgerichtet sind,
benutzt werden, je nach den besonderen Anforderungen der Anwendung.
Die Montageplatte, oder falls erforderlich, die Montageplatten 300 und
ihre Indexmerkmale 310 können unter Verwendung eines
Präzisionsmachinenwerkzeugs
fabriziert werden, wie zum Beispiel durch das FV-500, gefertigt
von Moore Nanotechnology Systems, das die Montageplatte 300 flach
und parallel mit einer Rautiefe von 10 nm oder weniger maschinell
fertigen kann.
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SELBSTTÄTIGE REGELUNG
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Wieder
unter Bezug auf 2 kann das System 100 einen
aktiven Rückkopplungsregler 350 zur kontinuierlichen Überwachung
und Einstellung verschiedener Parameter des Systems 100 umfassen. Zum
Beispiel kann der Regler 350 konfiguriert sein, um den
Betrag an Kraft, der an die in 8a gezeigte Stanzstation 800 geliefert
wird, zu überwachen
und einzustellen. Zum Regeln des Betrags an erzeugter Kraft ist
ein Arbeitsdruckregelventil 890 bereitgestellt, und ein
Stoppdruckregelventil 900 ist bereitgestellt, um einen
Schaden an der Stanzstation 800 zu minimieren. Das Arbeitsdruckregelventil 890 kann
ein Niedrigflussventil mit guter Genauigkeit bei der Druckfestsetzung
sein. Das Ventil 890 wird auf den Druck festgesetzt, der
benötigt
wird, um die erforderliche Kraft zu produzieren, die auf der Formel
(hydraulische Betätigungsoberfläche·Druck
= Kraft) beruhen kann. Das Stoppdruckregelventil 900 kann
ein Hochflussventil mit einer Schließhysterese sein und ist auf
einen signifikant höheren
Druck als den Druck des Ventils 890 festgesetzt. Das Arbeitsdruckregelventil 890 und
das Stoppdruckregelventil 900 können Ventile eines mechanischen
oder elektromechanischen Typs für
eine schnellere Ansprechzeit sein. Sobald der Stempel 860 das Werkstück trifft,
baut sich der Flüssigkeitsdruck
zu dem Umformdruckpunkt auf und das Arbeitsdruckregelventil 890 öffnet sich.
Der Arbeitsdruck wird beibehalten. Wenn die Stempelhalterplatte 830 die
Anschlagstücke 880 trifft,
baut sich der Druck in der Kammer 810 bei einer im Wesentlichen
vernachlässigbaren
Verdrängung der
Stempelhalterplatte 830 auf. Dann öffnet sich das Stoppdruckregelventil 900 und
der Druck sinkt. Der Pressenstößel 210 beginnt,
sich nach oben zu bewegen, und die Stanzstation 800 setzt
sich in ihren Startzustand zurück.
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Der
Regler 350 kann verschiedene Typen von auf dem Stand der
Technik wohl bekannten Sensoren inkorporieren, wie etwa mechanische,
elektrische und optische Sensoren. Die Sensoren können in
die Führungsgestellbaugruppen,
das Werkstück und
in andere Systemkomponenten inkorporiert werden. Der Regler 350 kann
konfiguriert sein, um die Toleranzen des Werkstücks zu überwachen und als Reaktion
auf die gemessenen Reaktionen Parameter einzustellen, wie etwa die
Ausrichtung von Stempel und Matrize, die Ausrichtung des Werkstücks relativ zu
der Führungsgestellbaugruppe,
die Hubgeschwindigkeit des Stempels und des Pressenstößels, um die
gewünschten
Toleranzen in dem von dem Stanzsystem 100 hergestellten
fertigen Teil zu erreichen.
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GESTALTUNGSÜBERLEGUNGEN
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Das
Beibehalten einer wesentlichen Ausrichtung des Stempels und der
Matrize ist eine wichtige Überlegung
beim Herstellen von Teilen mit Toleranzen von unter 1000 nm. Die
Gestaltung der Stanzstationen erleichtert die wesentliche Ausrichtung
des Stempels und der Matrize, indem sie eine einfache und im Wesentlichen
unnachgiebige Konstruktion bereitstellt, um den Stempel zu der Matrize
zu führen. Bei
den Ausführungsformen
der Stanzstationen sind die Konstruktionen zum Führen des Stempels zu der Matrize
feststehend, und es sind keine beweglichen Komponenten am Führen des
Stempels zu der Matrize beteiligt. Der Stempel wird über den
Schacht direkt zu der Matrize geführt. Durch das Minimieren der Anzahl
an beweglichen Komponenten, die daran beteiligt sind, den Stempel
zu der Matrize zu führen, werden
mögliche
Quellen für
eine Fehlausrichtung ebenfalls minimiert. Im Vergleich zu dem im
US-Patent Nr. 6,311,597 B1 offenbarten
Stanzsystem, das mindestens eine bewegliche Komponente beim Führen des
Stempels zu der Matrize aufweist (d. h. die Stempelbaugruppe, die
sich innerhalb des Matrizennests bewegt), ist das System der vorliegenden
Erfindung besser entworfen, um die Quelle einer möglichen
Fehlausrichtung zu minimieren. Außerdem erleichtert die Unnachgiebigkeit
der Stanzstation die Ausrichtung von Stempel und Matrize. Die Konstruktionen,
die die Führungsgestellbaugruppe
tragen, sind aus hochfesten Materialien wie etwa Wolframkarbid angefertigt,
und sie sind als eine einheitliche Konstruktion (wie in
3 gezeigt) oder als eine monolithische
Konstruktion (wie in
4 gezeigt) entworfen. Die Stempelhalterkonstruktion
ist als eine Konstruktion entworfen, die Toleranzen von unter einem
Mikrometer (z. B. 150 nm) und Rautiefen (z. B. eine Oberflächenrauigkeit
von Spitze zu Tal von 10 nm oder weniger) aufweist. Infolgedessen
ist der Zwischenraum zwischen dem Schacht und dem Stempel im Wesentlichen
eng, was ermöglicht,
dass der Schacht den Stempel unnachgiebig stützt. Die Rautiefe des Schachtes
von unter einem Mikrometer ermöglicht
es dem Stempel, sich reibungslos innerhalb des Schachtes zu verschieben,
wodurch die Abnutzung des Stempels und die mögliche Fehlausrichtung reduziert
werden.
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Das
strukturelle Entkoppeln der Presse von der Werkzeugausrüstung trägt ebenfalls
dazu bei, dass das Stanzsystem in der Lage ist, Teile mit Toleranzen
von unter 1000 nm herzustellen. Das in das Stanzsystem inkorporierte
Kopplungsstellensystem verkoppelt die Kraft von der Presse mit dem
Stempel. Bei dem in 8a und 8b gezeigten
Kopplungsstellensystem erleichtert das Kopplungsstellensystem des
Weiteren das Koppeln der Kraft in einer in eine Richtung wirkend
senkrechten Richtung entlang der Stempelhalterplatte. Das Kopplungsstellensystem
ist jedoch strukturell von der Werkzeugausstattung entkoppelt. Damit
eliminiert das System im Wesentlichen den Einfluss der ungenauen
Stanzpresse auf die Werkzeugausstattung. Die Presse kann daher von
einem Typ mit schlechten Toleranzen sein.
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Andere
Gestaltungsmerkmale des Stanzsystems 100 tragen dazu bei,
dass das System in der Lage ist, Teile mit Toleranzen von unter
1000 nm herzustellen. Der Stempel und die Matrize weisen ebenfalls
Toleranzen von unter einem Mikrometer (z. B. 150 nm) und Rautiefen
von zum Beispiel unter 10 nm auf. Die anspruchsvollen Toleranzen
dieser Systemkomponenten ermöglichen,
dass der Stempel und die Matrize im Wesentlichen präzise innerhalb
der Stanzstationen lokalisiert und präzise aufeinander ausgerichtet
werden. Dies ermöglicht,
dass der Stempel und die Matrize präzise zusammenpassen. Zusätzlich dazu
kann das Ausgangsmaterial maschinell zu anspruchsvollen Toleranzen
gefertigt werden, bevor es in die Stanzstationen kommt. Dies ermöglicht es,
das Werkstück
während
der Stanzarbeitsabläufe
innerhalb der Stanzstationen präzise
zu lokalisieren.
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BEISPIEL FÜR TEILE
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Die
in den 10a bis 21 gezeigten
Figuren fallen nicht in den Bereich der Patentansprüche. Diese
Beispiele stellen den allgemeinen Stand der Technik dar, der nützlich ist,
um die Erfindung zu verstehen.
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10a ist eine Endansicht einer optoelektronischen
Baugruppe 1100, die von dem Stanzsystem 100 der
vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Das System weist eine
Vielzahl von Stationen in der Folge auf, je nach Einzelheiten der
Gestaltung und messtechnischen Erwägungen. 10a zeigt eine
Hülse 1110,
die ein Ende 1120 einer Lichtleitfaser sichert. Die Hülse 1110 beinhaltet
zwei identische Hülsenhälften 1130,
die miteinander zusammengebaut sind. 10b ist
eine perspektivische Ansicht des Halbhülsenteils 1130, das
von dem Stempel und der Matrize 530 und 560 (in 9a gezeigt)
gestanzt wurde. 10c ist eine Endansicht der
in 10b gezeigten Hülsenhälfte 1130. Die in
den 10a–c gezeigte Hülsengestaltung
weist einen teilweise halbkreisförmigen
Endquerschnitt auf. Das Stanzsystem kann jedoch auch eine Hülse mit
einem völlig kreisförmigen Endquerschnitt
(wie in 11b gezeigt) fabrizieren. Der
Stempel und die Matrize 530 und 560 können in
eine der Vielzahl von Stanzstationen eingeführt werden. Zwei dieser Hülsenhälften 1130 können zu
derselben Zeit aus einem einzelnen Streifen von Ausgangsmaterial
hergestellt werden. Die Hülsenhälften 1130 sind
jeweils mit Einkerbungen 1140 versehen, um die beiden Hülsenhälften 1130 miteinander
zusammenzubauen (z. B. durch Schweißen an den Einkerbungen 1140).
Jede Hülsenhälfte 1130 umfasst
außerdem
eine Kerbe 1150 zum Einstecken des Endes 1120 der
Lichtleitfaser. Bei der in den
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10a–c
gezeigten Ausführungsform
betragen die Abmessungen der Hülse
2,5 mm oder 1,25 mm im Endquerschnittsdurchmesser und 10 mm in der
Länge mit
Ausrichtungskerben. Es versteht sich jedoch, dass die Abmessungen
lediglich als Beispiel dienen und andere Abmessungen ebenfalls möglich sind.
Bei einer anderen Station können
die zwei Hülsenhälften 1130 zusammengebaut
und in Vorbereitung auf Laserschweißen zu einer Lichtleitfaser
ausgerichtet werden. Ein von Rofin, Inc. gefertigter Laserschweißer StarWeld 20 ist
ein Beispiel eines Laserschweißers,
bei dem auf das zu schweißende
Teil ein Laserimpuls abgegeben wird. Zusätzlich zu dem Durchführen der
Schweißfunktion
kann das Lasersystem auch eingesetzt werden, um die Beschichtung
von einer Faser abzustreifen sowie um die Faserendfläche richtig
vorzubereiten. Wenn die beiden Hülsenhälften 1130 an
den Einkerbungen 1140 zusammengeschweißt worden sind, positioniert
die Hülse 1110 das
Ende der Lichtleitfaser 1120 sicher und präzise. Die
Hülse 1110 ist
in der Lage, Fasern mit einem Durchmesser von zum Beispiel 0,125
mm zu sichern.
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11a veranschaulicht eine Gestaltung mit „Doppelform-Konfigurations-Streifenanordnung" 1200, um
eine geprägte
und geschweißte
Hülse 1210 herzustellen. 11b ist eine perspektivische Ansicht des fertigen
Hülsenteils 1210.
Die Folge des Stanzverfahrens umfasst neun Stationen in Reihe (siehe
z. B. 2), zum Beispiel die Stationen 1212–1220,
und die Folge geht von der Station 1212 zur Station 1220.
An den Stationen 1212–1215 werden
dem Werkstück
Größe und Form
verliehen. An der Station 1216 wird die Kerbe gebildet.
An den Stationen 1217–1220 wird
eine Faser auf der gebildeten Kerbe positioniert, und die beiden
Hülsenhälften werden
zusammengefaltet. 11b zeigt eine Faser 1225,
die innerhalb der Hülse 1210 positioniert
ist. Die Hülse 1210 ist
für eine
Spaltausrichtungsmuffe mit einem kreisförmigen Querschnitt (nicht gezeigt) angepasst.
Dieses Prägeverfahren
resultiert darin, dass die zusammengebauten Hülsenhälften den Konstruktionskreis
der Spaltausrichtungsmuffe vollständig füllen. Die Spaltmuffe ist ein
Teil eines Lichtleitersteckeradapters (nicht gezeigt), der verwendet wird,
um einen abnehmbaren Anschluss zwischen zwei Fasern anzufertigen
(wobei jede Faser innerhalb einer Hülse 1210 positioniert
ist).
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12a veranschaulicht eine Gestaltung 1250 mit „Streifenanordnung", um eine sternförmig gebildete
und heftgeschweißte
Hülse 1260 herzustellen.
Die Folge des Stanzverfahrens umfasst 10 Stationen, zum Beispiel
die Stationen 1310–1319,
und die Folge geht von der Station 1310 zur Station 1319.
An den Stationen 1310–1312 werden
dem Werkstück Gestalt
und Form verliehen. An den Stationen 1313–1319 wird
das Werkstück
zu einer Sternform gefaltet. 12b ist
eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe, die die sternförmige Hülse 1260 inkorporiert. 12c ist eine Schnittansicht der Baugruppe entlang
der Linie 12c-12c, die in 12b gezeigt
ist. Die Hülse 1260 wird
unter Verwendung des Umformverfahrens gestanzt, wodurch die sternförmige Hülse 1260 gebildet,
auf eine Faser 1270 geklemmt und an einer Spitze 1280 durch
Heftschweißen
geschlossen wird. Die Hülse 1260 ist
entworfen, um präzise
in das Innere einer Spaltausrichtungsmuffe 1290 zu passen,
mit der Toleranz unter einem Mikrometer, die erforderlich ist, um
Faser-Faser-Anschlüsse
mit geringem Verlust zu erreichen. Die Abmessungen dieser Hülse betragen
2,5 mm oder 1,25 mm im Endquerschnittsdurchmesser, 10 mm in der Länge mit Ausrichtungskerben,
und sind entworfen, um eine Faser mit einem Durchmesser von 0,125 mm
zu empfangen. Es versteht sich jedoch, dass die Abmessungen lediglich
als Beispiel dienen und andere Abmessungen ebenfalls möglich sind.
Die Hülse
weist drei Spitzen 1292, 1293 und 1294 auf,
kann aber auch mit jeder beliebigen Zahl an Spitzen einschließlich zwei
entworfen sein.
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Das
System kann angepasst werden, um Hülsen unter Verwendung einer
Kombination von Präge-
und Umformvorgängen
herzustellen. 13 ist ein Querschnitts-Endansicht
einer Hülsenhälfte 1300,
die durch ein Präge-
und Umformverfahren gefertigt wurde. Bei dieser Ausführungsform
wird die Ausrichtungskerbe unter Verwendung eines Prägeverfahrens
gebildet, während
der Radius der Hülsenhälfte gebildet
wird. Diese Gestaltung kann „Doppelform" gefertigt und unter
Verwendung eines Laserschweißverfahrens
zusammengebaut werden. Es sollte angemerkt werden, dass, auch wenn
sie als ein teilweise vollständiger
kreisförmiger
Endquerschnitt gezeigt ist, die Hülse völlig zu einem kreisförmigen Endquerschnitt
gebildet und mit Heftschweißen
geschlossen werden kann (nicht gezeigt).
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Das
System 100 kann angepasst werden, um Mehrfaserhülsen für den gleichzeitigen
Anschluss von mehreren Fasern herzustellen. 14 ist
eine Querschnittsansicht eines Stempels 1350 für Mehrfaserhülsen, der
verwendet wird, um eine Mehrfaserhülsenhälfte (nicht gezeigt) zu prägen. Insbesondere
ist der Stempel 1350 ein 12-Faser-Hülsenstempel. Zwei große halbkreisförmige Vorsprünge 1360 bilden,
wenn die Hülsenhälften zusammengebaut
sind, kreisförmige
Kanäle
für Führungsstifte,
die dazu dienen, die Fasern auszurichten, wenn zwei Stecker zusammengepasst
werden. Die Stifte dienen der gleichen Funktion wie die Einzelfaser-Spaltmuffen.
Die mit f1 bis f12 bezeichneten Vorsprünge bilden die kreisförmigen Kanäle für individuelle
Fasern, wenn die Hülsenhälften zusammengebaut
sind. In diesem Beispiel sind es 12 Fasern. Die Toleranzen auf den
Faserausrichtungsvorsprüngen
f1–f12,
die auf diesem besonderen Stempel erreicht werden, betragen ±150 nm
parallel zu der Oberfläche
und ±400 nm
senkrecht zu der Oberfläche
des Stempels 1350.
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Stanzwerkzeuge
können
zu anspruchsvollen Toleranzen fabriziert werden. Die in 3a gezeigte Stanzstation 400 wird
aus Komponenten zusammengebaut, die zu Rautiefen und Toleranzen
von unter einem Mikrometer fabriziert wurden. Aufgrund der resultierenden
Qualität
der Stempelhalterplatte 410, der Matrizenplatte 440 und
der Abstandsstücke 470 wurden
die Stempelhalterplatte 410 und die Matrizenhalterplatte 440 auf
parallel innerhalb von 16 Mikroradiant gemessen. Bei diesem Grad
an Parallelität
beträgt
die Fehlausrichtung von Stempel zu Matrize weniger als 200 nm.
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Die
Stanzstation 400 kann zusammen mit dem 12-Faser-Stempel 1350 (in 14 gezeigt)
in einer offenen Matrizenkonfiguration verwendet werden, um Mehrfaser-Hülsenhälften in
304-Edelstahl-Rohlingen,
deren Abmessungen ungefähr
10 × 10 × 1 mm betragen,
zu prägen. 17 ist
ein Graph, der Daten für
ein gemessenes Profil des 12-Faser-Stempels zeigt, über die
Daten gelegt sind, die für
ein geprägtes
12-Faser-Teil-Probestück
erhalten wurden. Linie A stellt die gemessenen profilierten Daten
des Stempels 1350 dar, und Linie B stellt das gemessene
Profil des Probeteils dar. 18 ist
eine schematische Darstellung, die eine durch eine Finite-Elemente-Analyse (FEA) vorhergesagte
Füllung eines
304-Rohlings 1365 in einer offenen Matrizenkonfiguration
zeigt. 18 zeigt den Materialfluss des
304-Rohlings 1365, wenn von dem Mehrfaserstempel 1350 gestanzt,
und die FEA der Eigenspannung des Rohlings 1365. Die Farbe
Blau der Farblegende stellt das untere Ende des Eigenspannungsspektrums
dar, und die Farbe Rot stellt das höhere Ende des Eigenspannungsspektrums
dar. Wie von den 17 und 18 gezeigt,
stimmt die Wiederholung des Musters des Stempels 1350 auf
dem 304-Edelstahlrohling 1365 in der Richtung mit den Ergebnissen
der Simulation des offenen Matrizenverfahrens unter Verwendung der
Finite-Elemente-Analyse (FEA) überein.
Das in 18 beobachtete unvollständige Füllen der
Mulde 1360 des Führungsstifts
stimmt mit den Erwartungen für
ein offenes Matrizenwerkzeug und mit den experimentellen Beobachtungen überein. 19 ist
eine Darstellung, die drei Faserkerben 1367, 1368 und 1369 eines
geprägten
12-Faser-Hülsenprobestücks 1370 zeigt. 20 ist
ein Graph, der die gemessenen Profildaten der gleichen Faserkerbe
von drei 304-Edelstahlprobestücken
und die gemessenen Profildaten dieses Merkmals auf dem Stempel 1350 veranschaulicht.
Die Linien C–E
stellen die gemessenen Profildaten der drei Probestücke dar,
und Linie F stellt die gemessenen Profildaten des Stempels dar.
Es wird eine ausgezeichnete Umformung des unteren Teilabschnitts
der Kerbe beobachtet, zum Teil aufgrund der natürlichen Einschränkung, die
von dem umgebenden Material bereitgestellt wird. 21 ist
ein Graph, der die Höchstabweichung
der Kerbenposition relativ zu der mittleren Position für drei unterschiedliche
probegestanzte Teile veranschaulicht, wobei jedes gestanzte Teil 12 Kerben
aufweist. 21 zeigt die ausgezeichnete
Wiederholbarkeit von Teil zu Teil. Die höchste Kerbenposition relativ
zu der mittleren Position ist ±160
nm entlang der x-Achse und 190 nm entlang der y-Achse, was das Leistungsvermögen unterhalb eines
Mikrometers des ultrapräzisen
Stanzverfahrens aufzeigt.
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15 ist
eine perspektivische Ansicht einer umgeformten Mehrfasermuffe 1400.
Die Muffe 1400 kann die Stifte ersetzen, die typischerweise
zur Ausrichtung zweier Mehrfaserstecker verwendet werden. Wie in
dem Fall mit der zylindrischen Muffe/Hülse müssen die äußeren Abmessungen der Mehrfaserhülse entworfen
sein, um mit den inneren Abmessungen der Mehrfasermuffe 1400 zusammenzupassen. Dies
muss mit Toleranzen von unter einem Mikrometer geschehen, um eine
richtige Faserausrichtung sicherzustellen und den optischen Verlust
zu minimieren.