EP0677398B1 - Verfahren zur Herstellung von Schreibfedern - Google Patents

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EP0677398B1
EP0677398B1 EP95105657A EP95105657A EP0677398B1 EP 0677398 B1 EP0677398 B1 EP 0677398B1 EP 95105657 A EP95105657 A EP 95105657A EP 95105657 A EP95105657 A EP 95105657A EP 0677398 B1 EP0677398 B1 EP 0677398B1
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laser beam
nib
laser
slit
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EP95105657A
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Inventor
Frank Dipl.-Ing. Küpper
Konrad Dr.Rer.Nat. Wissenbach
Ralf Jung
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B43—WRITING OR DRAWING IMPLEMENTS; BUREAU ACCESSORIES
    • B43K—IMPLEMENTS FOR WRITING OR DRAWING
    • B43K1/00—Nibs; Writing-points
    • B43K1/02—Split nibs

Definitions

  • the invention relates to a method for producing nibs.
  • Nibs such as those used in fountain pens, are currently manufactured as follows: First of all, a so-called blank pen is produced by producing the basic shape of the pen by a punching and bending process and then the so-called pen is welded onto the tip of the pen. The blank pen thus produced is then slit in the longitudinal direction.
  • the "closing" of the slit which ensures the "correct” ink flow to the nib, is achieved by mechanically bending the two nibs in a suitable press. Following this manufacturing step, the nib is ground and polished and optionally provided with a “plating”.
  • the invention has for its object to develop a method for the production of nibs, in which a nib blank is slit, slit in the longitudinal direction and then reshaped, in such a way that nibs with different geometries can be reshaped without pressing tools being kept ready ought to.
  • the blank pen is formed by means of a laser beam.
  • the shaping of workpieces by means of laser radiation is already known, but has so far not been considered for the production of nibs. The reason for this is likely to be that the forming processes required in the manufacture of nibs are comparatively complicated and, on the other hand, spring materials with a small wall thickness have to be subjected to relatively large forming processes.
  • the forming operations required after slitting the blank can be carried out partially or completely by means of laser radiation. This enables the forming to be carried out without contact without a shaping tool. At the same time, the problem of applying force at the right place, which exists in the conventional manufacturing process, is solved. Above all, however, a wide variety of nibs can be produced by simply adapting the process parameters without additional tool costs. This means that in order to adapt the method according to the invention to the production of different nibs, only the parameters, such as feed rate, power of the laser and distribution of the power density, and, if appropriate, number, position and direction of the processing tracks (cf. claims 4 to 6) have to be set appropriately.
  • the method according to the invention can be carried out with known laser forming devices. Such devices can be easily integrated into the known devices for the production of nibs.
  • the method according to the invention can thus be carried out very economically.
  • a possibility for guiding the laser beam is specified with which the slot of the pen nib is closed.
  • the blank is exposed to the laser beam in the region of the bent spring flanks. This action is preferably carried out in such a way that the laser beam is guided in the transverse direction over the entire spring.
  • the material of the nib is partially heated such that the resulting plasticization of the material in connection with the subsequent cooling into the surrounding material induces residual stresses which cause the desired deformation, in this case the closing of the slot in the area of the nib.
  • Claim 3 specifies a method by which a pretension is generated in the area of the spring tip.
  • the blank of the nib is exposed to the laser beam in the area of the nib.
  • This application is also carried out in accordance with Claim 4 preferably such that the laser beam is guided in the transverse direction over the entire spring.
  • the generation of the residual stresses that trigger the forming can be precisely controlled if the laser beam is guided several times over an area that is acted upon (claim 5).
  • the targeted introduction of residual stresses is further facilitated in that the laser beam is guided over several areas spaced apart in the longitudinal direction of the blank pen.
  • any laser such as CO 2 laser, diode laser or excimer laser can be used as the laser.
  • the method according to the invention can in particular also be carried out with an NdYAG laser with low power - typically of a few watts - as can be found in a number of inexpensive commercial forming devices (claim 7). Oxidation and melting in the area of interaction between the laser beam and the material can be avoided by using suitable protective gas flows such as nitrogen.
  • the method according to the invention has the further advantage that the forming result can be easily monitored: To monitor the closing of the slot of the pen, a light transmitter, the light of which strikes the slot, and a light receiver, which is arranged on the other side of the pen, and which receives the light passing through the slot (claim 8). A triangulation sensor can be used to monitor the pretension of the pen (claim 9).
  • the triangulation sensor also serves as a light transmitter for monitoring the closing of the slot.
  • the monitoring of the forming result also allows online control of the manufacturing process.
  • the output signal of the light receiver and / or of the triangulation sensor is applied to a control unit which controls the exposure area on the pen and / or the power of the laser beam.
  • FIG. 1 shows a first perspective view of a nib in a processing state in which the tip of the nib has a slot S. This slot S ensures the flow of ink from an outlet A to the nib. In the processing state shown, the spring tip gapes apart.
  • the nib should be closed in the area of the so-called writing grain K.
  • the blank nib shown is shaped by means of the beam of a laser, not shown.
  • the laser can be a CO 2 laser, a diode laser or an excimer laser, but preferably an NdYAG laser.
  • the shaping strategy is decisive in order to achieve the desired shaping result: the paths on which the laser beam is moved over the workpiece.
  • the forming is preferably carried out by means of a feed machining perpendicular to the ink channel.
  • a feed machining perpendicular to the ink channel.
  • the laser beam (not shown) is guided one or more times over the illustrated areas 3 to 6, which will be explained in more detail below.
  • the temperature-time cycle of the processed areas in connection with a flow obstruction by the surrounding unheated material leads to local plasticization of the heated material.
  • residual tensile stresses are present in the longitudinal and in particular in the transverse direction on the side facing the laser beam. The residual stresses in the transverse direction lead to a bending of the spring tip 1 in accordance with the bending moment Mb shown.
  • the processing of the pen in the processing tracks 4 to 6 leads to a continuous curvature of the nib.
  • the pen can be biased for later use in writing.
  • the spring tip is not closed.
  • Fig. 2 shows a possibility for on-line control and quality assurance when bending nibs.
  • a transmitter for example a laser diode, radiates in the area of the spring tip through the ink channel onto an opposite receiver, which can be, for example, a CCD array. Processing continues until the receiver no longer detects a signal. This means that the ink channel is closed.

Landscapes

  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
  • Pens And Brushes (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Schreibfedern.
  • Schreibfedern, wie sie beispielsweise in Füllfederhaltern verwendet werden, werden derzeit wie folgt hergestellt:
    Zunächst wird ein sogenannter Schreibfeder-Rohling dadurch hergestellt, daß die Grundform der Schreibfeder durch einen Stanz- und Biegevorgang erzeugt und anschließend das sogenannte Schreibkorn auf die Federspitze aufgeschweißt wird. Der derart hergestellte Schreibfeder-Rohling wird dann in Längsrichtung geschlitzt.
  • Gemäß dem Stand der Technik erfolgt das "Schließen" des Schlitzes, wodurch erst der "richtige" Tintenfluß zur Federspitze gewährleistet ist, durch mechanisches Zusammenbiegen der beiden Federspitzen in einer geeigneten Presse. Im Anschluß an diesen Herstellungsschritt wird die Schreibfeder geschliffen und poliert sowie gegebenenfalls mit einer "Plattierung" versehen.
  • Beim Stand der Technik wird demnach die zur Umformung der Schreibfeder erforderliche Kraft durch unmittelbare Einwirkung eines Preßwerkzeugs auf die Feder übertragen. Damit muß für jede Federgeometrie jeweils ein vergleichsweise teures Preßwerkzeug bereit gehalten werden. Ein weiteres Problem bei der Herstellung von Schreibfedern gemäß dem Stand der Technik ist, daß bei der mechanischen Umformung der für das Zusammendrücken der beiden Hälften der Schreibfeder-Spitze erforderliche Druck an der richtigen Stelle auf die Feder aufgebracht werden muß, um das gewünschte Umformergebnis zu erhalten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Schreibfedern, bei dem ein Schreibfeder-Rohling hergestellt, in Längsrichtung geschlitzt und anschließend umgeformt wird, derart weiterzubilden, daß Schreibfeder-Rohlinge mit unterschiedlichster Geometrie umgeformt werden können, ohne daß Preßwerkzeuge bereit gehalten werden müßten.
  • Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 folgende.
  • Erfindungsgemäß wird der Schreibfeder-Rohling mittels des Strahls eines Lasers umgeformt. Die Umformung von Werkstücken mittels Laserstrahlung ist zwar bereits bekannt, sie ist jedoch bislang nicht für die Herstellung von Schreibfedern in Betracht gezogen worden. Der Grund hierfür dürfte sein, daß die bei der Herstellung von Schreibfedern erforderlichen Umformvorgänge vergleichsweise kompliziert sind, und anderseits Federmaterialien mit geringer Wandstärke verhältnismäßig großen Umformvorgängen unterworfen werden müssen.
  • Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die nach dem Schlitzen des Rohlings erforderlichen Umformvorgänge teilweise oder vollständig mittels Laserstrahlung ausgeführt werden können. Damit kann die Umformung ohne formgebendes Werkzeug berührungslos ausgeführt werden. Gleichzeitig wird das Problem der Krafteinleitung an der richtigen Stelle, das bei dem herkömmlichen Herstellverfahren besteht, gelöst. Vor allem aber können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch einfache Anpassung der Verfahrensparameter ohne zusätzliche Werkzeugkosten die unterschiedlichsten Schreibfedern hergestellt werden. Damit ist gemeint, daß zur Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens an die Herstellung unterschiedlicher Schreibfedern lediglich die Parameter, wie Vorschubgeschwindigkeit, Leistung des Lasers und Verteilung der Leistungsdichte sowie gegebenenfalls Anzahl, Lage und Richtung der Bearbeitungsspuren (vgl. Ansprüche 4 bis 6) geeignet einzustellen sind.
  • Dabei ist die Reproduzierbarkeit des Verfahrens hoch.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich im Prinzip mit bekannten Laser-Umformvorrichtungen ausführen. Derartige Vorrichtungen können ohne weiteres in die bekannten Vorrichtungen zur Herstellung von Schreibfedern integriert werden.
  • Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren sehr wirtschaftlich ausgeführt werden.
  • Im Anspruch 2 ist eine Möglichkeit für die Führung des Laserstrahls angegeben, mit der der Schlitz des Schreibfeder-Rohlings geschlossen wird. Hierzu wird der Rohling im Bereich der aufgebogenen Federflanken mit dem Laserstrahl beaufschlagt. Diese Beaufschlagung erfolgt gemäß Anspruch 4 bevorzugt derart, daß der Laserstrahl in Querrichtung über die ganze Feder geführt wird.
  • Durch diese Beaufschlagung wird das Material der Schreibfeder derart partiell erwärmt, daß die sich ergebende Plastifizierung des Werkstoffs in Verbindung mit der anschließenden Abkühlung in das umgebende Material Eigenspannungen induziert, die die gewünschte Umformung, in diesem Falle das Schließen des Schlitzes im Bereich der Federspitze hervorrufen.
  • Im Anspruch 3 ist eine Verfahrensführung angegeben, durch die eine Vorspannung im Bereich der Federspitze erzeugt wird. Hierzu wird der Schreibfeder-Rohling im Bereich der Federspitze mit dem Laserstrahl beaufschlagt. Diese Beaufschlagung erfolgt ebenfalls gemäß Anspruch 4 bevorzugt derart, daß der Laserstrahl in Querrichtung über die ganze Feder geführt wird.
  • Die Erzeugung der Eigenspannungen, die die Umformung auslösen, kann präzise kontrolliert werden, wenn der Laserstrahl mehrmals über einen beaufschlagten Bereich geführt wird (Anspruch 5).
  • Die gezielte Einbringung von Eigenspannungen wird weiterhin dadurch erleichtert, daß der Laserstrahl gemäß Anspruch 6 über mehrere in Längsrichtung des Schreibfeder-Rohlings beabstandete Bereiche geführt wird.
  • Als Laser können beliebige Laser, wie beispielsweise CO2-Laser, Diodenlaser oder Excimerlaser verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich aber insbesondere auch mit einem NdYAG-Laser mit niedriger Leistung - gibt typischerweise von einigen Watt - ausführen, wie er in einer Reihe von kostengünstigen kommerziellen Umformvorrichtungen zu finden ist (Anspruch 7). Oxidationen und Anschmelzungen im Bereich der Wechselswirkungszone Laserstrahl/Material können durch geeignete Schutzgasströme, wie beispielsweise Stickstoff vermieden werden.
  • Bei der Bearbeitung mit NdYAG-Lasern sind keine absorptionssteigernden Deckschichten erforderlich. Bereits wenige Watt Leistung reichen aus, um die Federspitze zu schließen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat den weiteren Vorteil, daß das Umformergebnis leicht überwacht werden kann:
    Zur Überwachung des Schließens des Schlitzes der Schreibfeder können ein Lichtsender, dessen Licht den Schlitz beaufschlagt, und ein Lichtempfänger vorgesehen sein, der auf der anderen Seite der Schreibfeder angeordnet ist, und der das durch den Schlitz hindurchtretende Licht empfängt (Anspruch 8). Zur Überwachung der Vorspannung der Schreibfeder kann ein Triangulationssensor verwendet werden (Anspruch 9).
  • Selbstverständlich ist es möglich, die in den Ansprüchen 8 und 9 gekennzeichneten Überwachungsmethoden miteinander zu kombinieren, so daß der Triangulationssensor auch als Lichtsender für die Überwachung des Schließens des Schlitzes dient.
  • Die Überwachung des Umformergebnisses erlaubt ferner eine on-line-Kontrolle des Herstellungsvorgangs. Hierzu liegt das Ausgangssignal des Lichtempfängers und/oder des Triangulationssensors an einer Steuereinheit an, die den Beaufschlagungs-Bereich auf der Schreibfeder und/oder die Leistung des Laserstrahls steuert.
  • Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens mit on-line-Kontrolle des Herstellungsvorgangs sind in den Ansprüchen 12 bis 14 gekennzeichnet.
  • Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Schreibfeder in perspektivischer Ansicht, bei der die Lage der Bearbeitungsspuren eingetragen ist, und
    Fig. 2
    eine Einrichtung zur on-line-Kontrolle des Herstellungsvorgangs.
  • Fig. 1 zeigt in ersten perspektivischer Ansicht eine Schreibfeder in einem Bearbeitungszustand, in dem die Spitze der Schreibfeder einen Schlitz S aufweist. Dieser Schlitz S gewährleistet den Tintenfluß von einer Austrittsöffnung A zu der Federspitze. In dem gezeigten Bearbeitungszustand klafft die Federspitze auseinander.
  • In dem nachfolgenden Bearbeitungsschritt soll die Feder im Bereich des sogenannten Schreibkorns K geschlossen werden.
  • Hierzu wird erfindungsgemäß der gezeigte Schreibfeder-Rohling mittels des Strahls eines nicht dargestellten Lasers umgeformt. Der Laser kann ein CO2-Laser, ein Diodenlaser oder ein Excimerlaser, bevorzugt jedoch ein NdYAG-Laser sein.
  • Um das gewünschte Umformergebnis zu erzielen, ist neben der Wahl der Vorschubgeschwindigkeit und der Leistung des Lasers sowie der Dichteverteilung der Leistung im Strahlfleck die Umformstrategie entscheidend: Hierunter wird die Wahl der Zahl, der Lage und der Richtung der Bearbeitungsspuren, d.h. der Bahnen, auf denen der Laserstrahl über das Werkstück bewegt wird, verstanden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Umformung bevorzugt mittels einer Vorschubbearbeitung senkrecht zum Tintenkanal. Alternativ ist jedoch auch eine linien-oder punktförmige Bestrahlung einzelner Bereiche möglich. Bei dem in Fig. 1 veranschaulichten Verfahren wird der (nicht gezeigte) Laserstrahl einfach oder mehrfach über die eingezeichneten Bereiche 3 bis 6 geführt, die nachstehend noch im einzelnen erläutert werden. Der Temperatur-Zeit-Zyklus der bearbeiteten Bereiche in Verbindung mit einer Fließbehinderung durch das umgebende nicht erwärmte Material führt zu einer lokalen Plastifizierung des erwärmten Materials. Nach der Bearbeitung liegen an der dem Laserstrahl zugewandten Seite Zugeigenspannungen in Längs-und insbesondere in Querrichtung vor. Die Eigenspannungen in Querrichtung führen zu einem Aufbiegen der Federspitze 1 entsprechend dem dargestellten Biegemoment Mb.
  • Insbesondere führt die Bearbeitung der Schreibfeder im Bereich der Bearbeitungsspuren 4 bis 6 zu einer kontinuierlichen Krümmung der Federspitze. Hierdurch kann die Schreibfeder für den späteren Schreibgebrauch vorgespannt werden. Ein Schließen der Federspitze erfolgt jedoch nicht.
  • Erfindungsgemäß ist nun erkannt worden, daß beim Umformen einer Schreibfeder mittels Laserstrahlung ein Schließen der Federspitze 1 nur dann erreicht wird, wenn die Bearbeitungsspur, d.h. die Überfahrt über die Schreibfeder in Querrichtung im Bereich der aufgebogenen Federflanken erfolgt. Ein Beispiel für eine derartige Bearbeitungsspur ist die Spur 3. Ebenso wie bei den Bearbeitungsspuren 4 bis 6 biegt sich die Federspitze entsprechend dem dargestellten Biegemoment dem Laserstrahl entgegen. Zusätzlich werden in den Seitenflanken Quereigenspannungen induziert, die ein weiteres Biegemoment Mbquer erzeugen. Dieses Biegemoment bewirkt, daß sich die Federspitze schließt. Damit sind verschiedene Verfahrensführungen möglich:
    • 1. Bestrahlungsvorgänge im Bereich der Federspitze führen zu einer Krümmung der Feder in Richtung des Laserstrahls. Derartige Bestrahlungsvorgänge können dazu genutzt werden, um Schreibfedern vorzuspannen.
    • 2. Bestrahlungsvorgänge ausschließlich im Bereich der aufgebogenen Federflanken führen zu Querkräften bzw. -spannungen, die die Feder im Bereich der Federspitze schließen.
    • 3. Die unter 1. und 2. genannten Bearbeitungsvorgänge können auch kombiniert zum gleichzeitigen Vorspannen und Schließen der Federspitze eingesetzt werden.
  • Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit zur on-line-Kontrolle und Qualitätssicherung beim Biegen von Schreibfedern. Ein Sender, beispielsweise eine Laserdiode strahlt im Bereich der Federspitze durch den Tintenkanal auf einen gegenüberliegenden Empfänger, der beispielsweise ein CCD-Array sein kann. Die Bearbeitung erfolgt solange, bis der Empfänger kein Signal mehr detektiert. Dies bedeutet, daß der Tintenkanal geschlossen ist.
  • Mit dieser Anordnung ist eine Regelung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.
  • Wird anstelle eines einfachen Senders ein konventioneller Triangulationssensor insbesondere mit linearem Weg-Ausgangsspannungs-Verhalten verwendet, so kann gleichzeitig die Krümmung der Feder und damit der Grad der Vorspannung aufgezeichnet und geregelt werden.

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung von Schreibfedern, bei dem ein Schreibfeder-Rohling hergestellt, in Längsrichtung geschlitzt und anschließend umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schreibfeder-Rohling mittels des Strahls eines Lasers umgeformt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß zum Schließen des Schlitzes der Schreibfeder-Rohling im Bereich der aufgebogenen Federflanken mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer Vorspannung im Bereich der Federspitze der Schreibfeder-Rohling im Bereich der Federspitze mit dem Laserstrahl beaufschlagt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl in Querrichtung über die Feder geführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl mehrmals über einen beaufschlagten Bereich geführt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl über mehrere in Längsrichtung des Schreibfeder-Rohlings beabstandete Bereiche geführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß als Laser ein NdYAG-Laser verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung des Schließens des Schlitzes der Schreibfeder ein Lichtsender, dessen Licht den Schlitz beaufschlagt, und ein Lichtempfänger vorgesehen sind, der auf der anderen Seite der Schreibfeder angeordnet ist, und der das durch den Schlitz hindurchtretende Licht empfängt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung der Vorspannung der Schreibfeder ein Triangulationssensor verwendet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Triangulationssensor auch als Lichtsender für die Überwachung des Schließens des Schlitzes dient.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Lichtempfängers und/oder des Triangulationssensors an einer Steuereinheit anliegt, die den Beaufschlagungs-Bereich auf der Schreibfeder und/oder die Leistung des Laserstrahls steuert.
  12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 11, mit
    - wenigstens einem Laser, dessen Strahl eine Licht-Führungseinrichtung auf den zu bestrahlenden Bereich der Schreibfeder richtet,
    - einer Steuereinheit, die den Laser und die Licht-Führungseinrichtung steuert, und
    - wenigstens einem Lichtsender und wenigstens einem Lichtempfänger, dessen Ausgangssignal zur Überwachung des Umformergebnisses an die Steuereinheit angelegt ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfänger das durch den Schlitz der Schreibfeder hindurch tretende Licht empfängt.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender und der Lichtempfänger als Triangulationssensor arbeiten.
EP95105657A 1994-04-13 1995-04-13 Verfahren zur Herstellung von Schreibfedern Expired - Lifetime EP0677398B1 (de)

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