WO2010142775A9 - Vorrichtung und verfahren zum herstellen einer scherfolie für einen rasierapparat, eine solche scherfolie und solcher rasierapparat - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum herstellen einer scherfolie für einen rasierapparat, eine solche scherfolie und solcher rasierapparat Download PDF

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WO2010142775A9
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    • B26B19/38—Details of, or accessories for, hair clippers, or dry shavers, e.g. housings, casings, grips, guards
    • B26B19/384—Dry-shaver foils; Manufacture thereof

Definitions

  • the present invention relates to a shaving foil forming apparatus, a shaving foil forming method, a shaving foil for a shaver, and a shaver having a shaving foil.
  • Shaving foils for razors are known in principle. Many of these known shear films consist essentially of nickel or nickel alloys. These known shear films are usually produced by means of a galvanic deposition process. In addition, a shear foil is known in which holes are formed by punching and a Lochranderhöhung is generated by a subsequent embossing of the known shaving foil.
  • a problem with the use of nickel, on the one hand, is that a not inconsiderable proportion of people, according to the inventor's estimate, at least 10%, show allergic dermatological reactions when they come into contact with nickel.
  • a technical problem underlying the invention is therefore to propose an improved device or an improved method for producing a largely nickel-free foil.
  • a device for producing a shearing foil from a corrosion-resistant steel foil which comprises a die, a hold-down device and a punch.
  • the die has a contact surface facing the punch for a corrosion-resistant steel foil to be punched with a cutout, wherein a chamfering is provided in the region of a transition from the support surface to the cutout.
  • the hold-down is designed to hold down a corrosion-resistant steel foil on the support surface of the die.
  • the punch is designed for forming and punching a steel foil held down on the die.
  • the device is designed to guide the stamp such that it presses a down-held steel foil at the recess first to the chamfer for generating a Lochranderhöhung and then punctures and to move the corrosion-resistant steel foil after a first punching operation relative to the die, so that after a re-punching a repeatedly perforated corrosion-resistant steel foil remains as a shear foil.
  • An advantage of the device according to the invention is that both forming and punching of the corrosion-resistant steel foil occur in a single punching process.
  • the stamp shapes the corrosion-resistant steel foil (also referred to below as steel foil) by pressing against the chamfer of the recess.
  • the term of reshaping in particular comprises the generation of the hole edge elevation.
  • the hole edge elevation refers to the elevation of a punched hole against a surface of the corrosion resistant steel foil.
  • Lochranderhöhungen the holes of a shear foil produced with the device according to the invention point in the direction of a Schermessers to be installed.
  • the increase in the hole edge allows a small cutting gap between the shaving foil and the shearing blade.
  • the hole edge increase reduces a total of surface between shaving foil and shearing blade, thus ensuring a long service life of the shaver blade.
  • the manufacturing properties of the die are decisive for the geometry of the Lochranderhöhung and the perforation itself.
  • the Lochranderhöhung all holes of a shaving foil produced by a device according to the invention in about the same size.
  • the recess in the die is essentially a recess or hole into which the punch of the device moves for the purposes of forming and punching.
  • a punch waste resulting from punching remains below the corrosion-resistant steel foil.
  • a circumferential course of the recess is, for example, circular, oval, triangular, quadrangular or polygonal.
  • chamfering means a slope or ramp inclined in the transition from the support surface to the recess.
  • the punch of the device preferably moves out of the recess again. Thereafter, the apparatus shifts the steel foil to be punched relative to the punch and the die.
  • punch and die are arranged with respect to the horizontal fixed to each other. After shifting the steel foil, a new punching process takes place.
  • the device according to the invention preferably comprises a control unit which is designed to control the blank holder, the punch and the displacement of the steel foil to be punched, for example according to a CNC (computerized numerical control).
  • a control unit which is designed to control the blank holder, the punch and the displacement of the steel foil to be punched, for example according to a CNC (computerized numerical control).
  • the recess of the die is configured such that the shaving foil has a positive cutting angle.
  • the cutting angle denotes the inside lying angle between a skin facing the surface of the shear foil and an inner circumferential surface of the punched hole.
  • a positive cutting angle is an angle greater than or equal to 90 °.
  • a positive cutting angle means an angle equal to or less than 90 °.
  • the figures 44 and 45 below show a positive cutting angle of about 90 ° in a shear foil produced by means of a device according to the invention.
  • a positive cutting angle has a particularly good effect on the cutting behavior of the shaving foil.
  • the chamfer has a geometry of a conical jacket surface.
  • the angle to the support surface is, for example, in the range of 1 ° to 40 °. In principle, small angles and an associated short increase in the number of holes are preferred. However, embodiments are also possible in which the angle is 20 °, 25 ° or 30 °.
  • the chamfer has an angle to the support surface, which increases with increasing distance from the support surface away from the recess.
  • a pressure surface of the punch is conical.
  • the stamp has a flat pressure surface.
  • the conical pressure surface has the advantage that high tear of punch waste, which occurs during punching, is prevented.
  • the half opening angle is for example about 85 °.
  • the above-mentioned technical problem is solved for a method of manufacturing a shearing foil made of a corrosion-resistant steel foil.
  • the method of the second aspect of the invention comprises the steps of: providing the corrosion-resistant steel foil, Arranging the corrosion-resistant steel foil on a contact surface of a die facing a die, wherein the die has a recess and a shoulder is provided in the region of a transition from the support surface to the recess, holding down the corrosion-resistant steel foil on the support surface of the die and
  • the corrosion-resistant steel foil is shifted in such a way that the holes of the shear foil have a hole center distance in the range from 0.5 mm to 2.5 mm from each other.
  • the hole edge elevation is in an embodiment of the method in the range of 0.01 mm to 0.03 mm. Basically, a small increase in the hole edge is preferred.
  • An embodiment of the method comprises the additional step: Reprocessing of the foil by grinding the hole edge of a hole on the side facing the Lochranderhöhung side to produce a cutting surface.
  • a third aspect of the present invention is a stainless steel shaving foil for a razor, comprising a plurality of holes each having a hole edge elevation, a respective one of the plurality of holes having a hole edge elevation being formed by a single punching operation.
  • the shaving foil according to the invention is comparatively quick and inexpensive to produce and is characterized by a high skin compatibility.
  • a respective hole of the shaving foil has a positive cutting angle.
  • the shaving foil is preferably produced by:
  • the corrosion-resistant steel (also referred to below as steel foil) is preferably largely free of nickel.
  • the corrosion-resistant steel foil comprises chrome steel.
  • the thickness of the shear foil is preferably in the range of 0.02 mm to 0.05 mm.
  • the holes of the shaving foil preferably have a diameter which is in the range of 0.15 mm to 0.75 m.
  • a fourth aspect of the invention is a razor with a shear foil of the third aspect of the invention.
  • the device of the first aspect of the invention is preferably designed to process a corrosion-resistant steel foil having a thickness in the range of 0.02 mm to 0.05 mm.
  • FIG. 9 shows an embodiment of a shear foil according to the invention.
  • FIGS. 44 and 45 clearly show the positive cutting angle of approximately 90 ° of a shear foil produced by the method according to the invention or by the device according to the invention.
  • a toggle press a punch press with a press force of 300 kN (Bruderer) or a CNC coordinate grinding machine are available.
  • test results should be carried out by means of optical microscopes, an IFM (Infinite Focus Microscope) and SEM (Scanning Electron Microscope).
  • the current shearing foil (nickel electroplating method) is described. This is followed by a functional analysis in which the foil or its properties are described independently of material and production processes. Subsequently, in relation to this analysis and the juxtaposition of different cutting concepts, an evaluation and the decision for a test method should be made.
  • Figure 1 shows a shaving foil in plan view in a flat state, ie not curved around the shearing blade. At the present only about a quarter of the area is the actual hair cutting zone. In the surrounding zone no hair may penetrate through the film.
  • the actual hair cutting zone covers about only a quarter of the total area in the middle of the shear blade. This area is surrounded by a zone with smaller hole diameters (red marked area). Since there is no positive connection to the knife here, they are to prevent that whiskers can penetrate, to prevent a painful tearing at them.
  • Figure 2 shows the hole pattern in detail. The largest hole diameter is 00.53mm the smallest 00.33mm, the hole distance is 0.7mm. The hole edge is optimally rounded at the top, which at the same time represents the side facing the skin, due to the vertical and lateral growth of the layer thickness during galvanic deposition. At the bottom there is a 0.015mm hole height increase (see Figure 3).
  • the machine After a few shaving applications, ie when the foil and knife are "ground” to one another, the machine achieves its optimum shaving performance.As long as the cutting edges of the knife and the film are not rounded and the hole edge increase is worn, the cutting performance of the device is fine shaving performance is significantly reduced, manufacturers are recommending a regular replacement of the shear components, the shaving foil is clamped over the shearing blade, and after a short period of grinding, the shaver achieves optimum performance determine a foil to define the properties of a foil made of steel.
  • the first step involves mainly collecting data about the analysis object. It is important to involve all persons involved in the analysis and to standardize the ways of speaking and seeing. (Wohinz et al., 2008) After collecting data about the analysis object, functions are set in the noun - verb form.
  • the shear foil represents the analysis object.
  • the function analysis was carried out with a manufacturer's work team.
  • the defined functions for the foil are arranged in a function tree.
  • Figure 6 shows the created function tree of the shaving foil.
  • the main functions are in the left column, which are subdivided to the right into two secondary function levels.
  • On the right side are attached comments on how the functions can be fulfilled.
  • the search for a new production process is not about producing a completely new product, but rather fulfilling all the required functions through appropriate design and adaptation.
  • Desirable functions are defined as:
  • Figure 7 shows a detail of the hole edge of a galvanic film.
  • the shaver touches the film only on a small area. All mandatory functions are fulfilled. However, the target function eliminating nickel deposition is not met.
  • the nickel foil fulfills all mandatory functions, but the optional "eliminate nickel deposition" function is not met Table 1a shows the functions and their fulfillment.
  • Table 2a shows that many mandatory functions are unlikely to be met. A normally perforated film does not meet the required mandatory functions partially and is therefore not useful. A variant of this method would be to increase the cutting gap and / or round off the cutting edge of the die to obtain a larger cutting burr. However, due to the irregular burr height, further post-processing will be necessary here. For this reason, this idea will not be pursued in the upcoming procedure.
  • Another way to achieve a larger hole edge increase would be to attach another forming process step to the punching. This means that the film should continue to be positioned after perforation and the embossing die and punch should be used to increase the hole edge.
  • FIG. 9 shows the process in four sequences. First, the film is clamped with the hold-down (a). Thereafter, the descending punch pulls the sheet into the tapered recess until the cutting edge is reached (b). Then the actual punching process begins (c). Due to the bending stress conditions, the hole edge will rebound somewhat after the stamp retraction (d). Modification of the die is by tapering the cutting edge area.
  • Figure 10 shows this film in the shear situation. Two variants are shown. Variant a shows a film in the unprocessed state. It can not be said in advance whether a post-processing of the film is necessary to compensate for any differences in height, or whether the tolerance after punching is sufficient and knife and foil themselves "looped" on each other.Variant b shows a subsequently ground and therefore Shear foil leveled in height A sheared foil with modified die performs both the must-have functions and the "eliminate nickel deposition" function.
  • Figure 11 again shows a comparison between the electroplated nickel foil and the perforated steel foil with modified cutting die.
  • the follow-up process offers the possibility of a flexible design of the tool.
  • the hole center distance of the shear foil is 0.7 mm. If one chooses for the consequence when punching in a station a hole center distance of 1.4mm, what the structural design very would simplify, so would have to be built alone for the punching 4 stations. With a hole center distance of 2.1 mm, it would already be 9 stations, etc. However, the further clocking from station to station is a great challenge. Here would certainly be worked with multiple viewfinder pins. Table 5a shows the advantages and disadvantages of the follow-up procedure. In the subsequent cut, the hole pattern to be produced due to the small distances could be made simpler. It would take about 6 to 13 follow-up stations.
  • Die cutting automation represents the third solution concept for the shaving foil. For this solution, only one cutting unit consisting of punch and die is required for each diameter. This makes 5 cutting units at 5 different diameters.
  • the sheet metal is positioned in the X and Y coordinates by CNC control. After each positioning, a punching stroke is performed.
  • This method is very flexible and the production of the tool relatively cheap and simple, but the realization of a CNC-controlled X-Y table is complicated and expensive.
  • a big advantage is the generation of the hole edge increase. Since only one die is used here when punching all holes in the shear area, the hole edge increase is the same for all openings.
  • Table 6a compares the advantages and disadvantages of stamping automation. Die cutting automation is the most flexible and easy solution to make. It takes the longest to process.
  • a risk analysis should identify possible causes of errors and possible countermeasures in advance.
  • the risk analysis is a tool of the FMEA to identify errors, their consequences and possible causes of error already in the product design and to assess the probability of discovery and its occurrence and significance, with the aim of corrective measures to avoid these possible even before production To be able to develop mistakes.
  • Such a risk analysis was carried out after deciding on the punching concept with employees from different departments of the company. The analysis is based on empirical experiences and suppositions of the staff and has been difficult in this respect since there is little experience in the field of punching in these dimensions and with this method.
  • potential risks and their consequences should be clarified in advance in order to react faster and better with possible countermeasures. Table 7a shows the result of the analysis.
  • the available steel sheets in the thickness 0.03 - 0.05mm are only very limited available on the market. Nickel-free steels are not available from stock with this strip thickness and would be too expensive for a first attempt in principle.
  • the test material used was a comparably easily available 1.4310 according to X10CrNi18-8 with a thickness of 0.04 mm.
  • the steel contains, besides a carbon content of 0.10%, essentially 18% chromium and 8% nickel. Due to the high degree of cold rolling, this steel has a tensile strength ⁇ of 1300 - 1600 [N / mm 2 ] and is therefore also known as stainless and acid-resistant spring steel.
  • the test material was a high-alloyed stainless Cr-Ni steel. This has a tensile strength of 1600 N / mm 2 in the cold rolled state
  • the cutting gap is chosen with 4% -5% and is between 1, 6 - 2,0 ⁇ . 6.3 Construction of the test tool
  • the test tool is designed as a 4-column guided rack.
  • the structure is made with plates made of CFRP. High rigidity and precise guidance are essential for small cutting gaps.
  • Figure 12 shows the tool schematically. Thanks to its structure, it can be universally used and easily adapted to different cutting geometries. By attaching the columns to the guide plate easy installation is possible.
  • the guide plate In the first assembly step, only the guide plate is installed with the lower tool part. In this state, die and guide or Abstreiferplatte can be adjusted exactly to each other. The adjustment is done with separate dowel pins and ball cages.
  • the upper part of the tool is placed with punch holder and punch.
  • the base plate, guide plate and cover plate are made of CFRP (carbon fiber reinforced plastic). This provides high rigidity (such as in the steel sector) at only about one-fifth of its own weight.
  • the cutting elements are partly available as standard parts and come from the field of LTCC production where today holes in the range of 00,08mm - 00,26mm are punched.
  • the manufacturing processes for these elements have been adopted and adapted in part by the watch industry and are extremely precise.
  • the cutting elements are available as standard elements of the LTCC production and only need to be changed slightly.
  • Figure 15 shows the process of plane-parallel alignment of the superimposed stripping and cutting plate in the X-Y plane. This process is usually taken over by a probe, only with critical components is controlled with a dial gauge and adjusted.
  • Figure 16 shows the subsequent checking of the angularity and cylindricity. Also important here is an exact perpendicularity of the Z-axis to the X-Y plane of the eroding system. Many manufacturers have tolerances of> 5 pm/100 mm which would not be suitable for this review. If the result of the measurement is too great, the position of the wire and, if necessary, the processing technology must be corrected and another control cut carried out for checking until a satisfactory result is obtained. By means of a control section, the angularity is checked, corrected and if necessary repeated until a satisfactory result is obtained.
  • the inner bore of the cutting bush was also manufactured by wire erosion.
  • a receptacle for the outer diameter was eroded immediately before machining
  • the cutting bush is inserted by joining in the receptacle and the inner bore eroded with the same positional correction of the receiving bore.
  • inaccuracies are switched off which consist of blanking cycles of erosion. 6.4.4 Grinding the modified cone shape
  • the modification of the cutting edge ie the manufacture of the cone, was carried out by means of grinding. For this purpose, the bushing was clamped in a specially made receptacle in a slowly rotating spindle and tilted at the cone angle.
  • a second mandrel was used to drive a diamond-loaded 00.8mm 120,000 RPM grinder.
  • the delivery was carried out by means of a CNC-controlled axis.
  • the position of the cutting edge was determined optically by means of color and antouching. This resulted in a certain tolerance in the production of the depth of the cone.
  • Figure 17 shows the detail of the cutting edge.
  • the tapered modification of the cutting edge region is made by grinding on a jig grinding machine.
  • the probing is done optically by means of Touchier format.
  • the value B was determined after grinding on a measuring projector and from this the value C was calculated.
  • Table 9a shows the dimensions of the cutting bushes made for the experiments. Also in the direction of the outer diameter, the jacks were ground conically or released. This is to prevent that the foil is bent during punching with a center hole spacing of 0.7 mm by the Lochranderhöhung the adjacent hole and by the hold-down.
  • Figure 18 and following show pictures of a cutting bushing.
  • 5 punching positions were defined as shown in Figure 20, allowing for the simultaneous installation of 5 different punching units.
  • the stamps can be operated separately from each other for the working stroke. This facilitates handling, since 5 cutting units are available without disassembling the tool.
  • the tool has 5 positions for installing a cutting unit. By determining a punch in the punch holder plate one position is activated for the punching process.
  • any hole pattern can be generated by NC programming.
  • the tool was implemented on a CNC-controlled jig grinding machine. By programming any hole pattern can be produced.
  • a test procedure was defined to determine the characteristic values when punching a single hole and to assess the quality of a perforated grid similar to that on a shaving foil.
  • the force and displacement sensors were recorded.
  • Figure 24 shows the perforated grid. In this case, essentially 3 tests were carried out with a cutting unit.
  • the stroke was at low feed hazards. This enabled an exact and vibration-free force-displacement measurement. The measurements were repeated several times because of the reproducibility and possible errors.
  • the second attempt was the same grid, but with maximum feed the CNC axis punched. At this speed, vibrations are already visible on the force-displacement curve.
  • a scraper-like grid was punched in order to obtain a qualitative statement about the feasibility of small hole spacings. The output of the test series required on the one hand statements about the balance of forces in punching, on the other hand an assessment of the generated hole geometry by means of mechanical and optical measurement, as well as further microscopic analyzes. Among other things, embedded cross sections were made from the sample material and small pieces of the sample material were prepared for scanning electron microscopy.
  • the parameters of the test series can be divided into fixed and variable parameters.
  • hole diameter 0.26; 0.43; 0.53 mm
  • Hole edge geometry - cone angle ⁇ (see Figure 17): 0 °; 20 °; 25 °; 30 °
  • the results are based on a test series in which several holes (5-9 times) were repeated with a cutting unit in order to determine any scattering and to compare the results of the measurements. Between attempts, the tool was disassembled and reassembled several times to remove and install the cut components. For each cutting unit, the pure tool forces (friction and spring forces) were also determined as shown above in order to determine the measurement results as accurately as possible.
  • the measurement results presented below are intended to indicate tendencies and magnitudes that occur when punching holes in these size dimensions.
  • Table 11a shows the measurement results for 00.43mm. Here are the differences in the maximum stripping forces low, these are between 4-7% of the cutting force. In the case of the matrix with hole edge increase, the maximum cutting force seems to be lower on average than in the normal die.
  • Figure 27 shows the cutting force as a function of the hole diameter. The force is here only a function of the cut length l s while s can be regarded as constant and k s as almost constant for all perforations.
  • stamp geometry two variants were tested: a straight cutting edge and a 170 ° tapered cutting edge.
  • the latter is intended to prevent the high tear of hole waste, especially when punching in the series.
  • increased horizontal cutting forces occur which increase the frictional forces.
  • the mating of tapered punches and tapered dies results in an average of approx. 10% higher cutting forces than with straight punches and tapered dies.
  • Figure 28 shows this tendency.
  • the stripping forces can be derived no tendencies.
  • the average maximum stripping forces are at 00,26mm - 7,72%, at 00,43 - 5,28% and at 00,53 - 8,32%. Averaged over all tests, the stripping force is 7.10% of the maximum cutting force. The fear that the stripping forces were significantly increased by the modification of the die geometry has not been confirmed.
  • the cutting ridge is 2 ⁇ - 8pm in the experiments carried out, which corresponds to about 5% - 20% of the film thickness. As later REM images show this is not the same height over the entire hole circumference.
  • the hole edge elevation produced by tension-compression molding it can be noted that as the taper angle of the die cutting edge increases, the percentage springback also increases. For first experiments, the cone angle of 20 ° has been found to be sufficient. In addition, it could be observed that in the case of a conical stamp geometry the springback was slightly smaller than with a straight stamp.
  • Figure 29 shows two superimposed measuring curves, punching with and without increasing the hole pitch.
  • the hatched area represents the additional work of the forming process.
  • Figure 30 shows a hole pattern, center distance 0.7mm, hole diameter 00.26mm on top of the film.
  • FIG. 31 shows the underside of a perforated grid with 00.53mm.
  • Figure 33 shows a detailed view of the ductile fracture surface or burr on the underside. In the cross sections can be partly determine the course of the bearing. Thus, in Figure 34 and Figure 35, the area of the indentation, the smooth cut zone and the fracture zone can be seen. In addition, some earing is also recognizable, which can be seen even better with further pictures.
  • Figure 36 shows a picture from the bottom. The elevation is exactly concentric with the hole center.
  • Figure 37 shows an SEM image from the top
  • Figure 38 from the bottom.
  • the following pictures show further pictures of the hole experience with smooth cut zone, earing and break zone in overview and detail.
  • Figure 60 Cutting press with integrated production unit (WEDG and EDM) for punch and die (Chem et al.2006) 58
  • Figure 63 Examples of non-circular dies (electrodes) made by WEDG. (Chern et al., 2006) 60
  • Figure 64 Prototype of a high-speed grinding spindle for grinding micro-punch punches (Yeo et al., 2002) .... .. 60
  • Figure 1 Scherblatt view in level condition.
  • Figure 4 Different hole diameters on a foil
  • Figure 5 Outline criteria of functions
  • Figure 6 Functional tree - shaving foil
  • Figure 7 Nickel foil - detail hole edge
  • Figure 8 Punching process (a) and shearing situation when installed (b) with standard die
  • Figure 15 Plan-parallel alignment of the stripping and cutting plate in the X-Y plane on the eroding system
  • Figure 18 Cutting edge with modified cutting edge -
  • Figure 19 Cutting edge with modified cutting edge - Detail view
  • FIG. 20 Base plate and cutting plate when assembled
  • Figure 30 LMA - hole pattern 00,26mm - upper side
  • Figure 32 REM - detail of raised burr at 00,53 - underside
  • Figure 33 REM - detail of the cutting edge at 00,53 - underside
  • Figure 34 Cross section through foil - bridge between two 00,53
  • Figure 36 LMA - hole pattern 00,53 incl. Hole edge elevation - underside
  • Figure 37 REM hole pattern 00,53 - OS - insertion through hole edge.
  • Figure 40 REM - detail of cutting burr with hole edge elevation 00.53 - US
  • Figure 46 Punched prototype without increasing the number of holes
  • Table 3 Excerpt from the Consumer Goods Ordinance 26
  • Table 4 Guideline for carbide use (Heliwig 2001, p.211) 45
  • Table 2a Functional Fulfillment of Single-Ply Foil 1
  • Table 3a Feature Fulfillment of Punched Foil with Modified Cutting Edge
  • Table 6a Advantages and disadvantages of punching automation 18
  • Table 7a Risk analysis - punching automation Scherfolie 19
  • Table 10a Measurement results for 00,26mm 30
  • Table 11a Measurement results for 00,43mm 30
  • Table 12a Measurement results for 00.53mm 31

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  • Perforating, Stamping-Out Or Severing By Means Other Than Cutting (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen einer Scherfolie, ein Verfahren zum Herstellen einer Scherfolie, eine Scherfolie für einen Rasierapparat sowie einen Rasierapparat mit einer Scherfolie. Die Vorrichtung zum Herstellen einer Scherfolie aus einer korrosionsbeständigen Stahlfolie umfasst eine Matrize, einen Niederhalter und einen Stempel. Die Matrize weist eine dem Stempel zugewandte Auflagefläche für eine zu lochende korrosionsbeständige Stahlfolie mit einer Aussparung auf, wobei im Bereich eines Übergangs von der Auflagefläche zur Aussparung eine Anfasung vorgesehen ist. Der Niederhalter ist zum Niederhalten einer korrosionsbeständigen Stahlfolie auf der Auflagefläche der Matrize ausgebildet. Der Stempel ist zum Umformen und Stanzen einer auf der Matrize niedergehaltenen Stahlfolie ausgebildet. Die Vorrichtung ist ausgebildet, den Stempel derart zu führen, dass dieser eine niedergehaltene Stahlfolie bei der Aussparung zunächst an die Anfasung zum Erzeugen einer Lochranderhöhung drückt und sodann locht und die korrosionsbeständige Stahlfolie nach einem ersten Stanzvorgang relativ zur Matrize zu verschieben, so dass nach einem erneuten Stanzvorgang eine mehrfach gelochte korrosionsbeständige Stahlfolie als Scherfolie verbleibt.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINER SCHERFOLIE FÜR EINEN RASIERAPPARAT, EINE SOLCHE SCHERFOLIE UND SOLCHER RASIERAPPARAT
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen einer Scherfolie, ein Verfahren zum Herstellen einer Scherfolie, eine Scherfolie für einen Rasierapparat sowie einen Rasierapparat mit einer Scherfolie.
Scherfolien für Rasierer sind grundsätzlich bekannt. Viele dieser bekannten Scherfolien bestehen im Wesentlichen aus Nickel oder Nickellegierungen. Diese bekannten Scherfolien werden gewöhnlich mittels eines galvanischen Abscheideverfahrens hergestellt. Außerdem ist eine Scherfolien bekannt, bei der Löcher durch Stanzen gebildet werden und eine Lochranderhöhung durch ein anschließendes Prägen der bekannten Scherfolie erzeugt wird. Problematisch bei der Verwendung von Nickel einerseits ist, dass ein nicht unerheblicher Teil der Menschen, nach Schätzung des Erfinders mindestens 10%, allergische dermatologische Reaktionen bei Berührung mit Nickel zeigt.
Nachteilig bei einer Lochranderzeugung mittels Prägen andererseits ist ein dadurch hervorgerufener negativer Schneidwinkel, der sich ungünstig auf das Schneidverhalten eines mit einer solchen bekannten Scherfolie versehenen Rasierers auswirkt. Außerdem ist ein solches Herstellungsverfahren hinsichtlich des Zeitaufwandes als ineffizient zu bezeichnen.
Eine der Erfindung zugrunde liegende technische Aufgabe ist es daher, eine verbesserte Vorrichtung oder ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer weitestgehend nickelfreien Scherfolie vorzuschlagen.
Außerdem ist es eine der Erfindung zugrundeliegende technische Aufgabe, eine verbesserte und weitestgehend nickelfreie Scherfolie sowie einen Rasierapparat mit einer solchen Scherfolie vorzuschlagen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die technische Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Herstellen einer Scherfolie aus einer korrosionsbeständigen Stahlfolie, die eine Matrize, einen Niederhalter und einen Stempel umfasst. Die Matrize weist eine dem Stempel zugewandte Auflagefläche für eine zu lochende korrosionsbeständige Stahlfolie mit einer Aussparung auf, wobei im Bereich eines Übergangs von der Auflagefläche zur Aussparung eine Anfasung vorgesehen ist. Der Niederhalter ist zum Niederhalten einer korrosionsbeständigen Stahlfolie auf der Auflagefläche der Matrize ausgebildet. Der Stempel ist zum Umformen und Stanzen einer auf der Matrize niedergehaltenen Stahlfolie ausgebildet. Ferner ist die Vorrichtung ausgebildet, den Stempel derart zu führen, dass dieser eine niedergehaltene Stahlfolie bei der Aussparung zunächst an die Anfasung zum Erzeugen einer Lochranderhöhung drückt und sodann locht und die korrosionsbeständige Stahlfolie nach einem ersten Stanzvorgang relativ zur Matrize zu verschieben, so dass nach einem erneuten Stanzvorgang eine mehrfach gelochte korrosionsbeständige Stahlfolie als Scherfolie verbleibt.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass in einem einzigen Stanzvorgang sowohl ein Umformen als auch ein Lochen der korrosionsbeständigen Stahlfolie erfolgt. Der Stempel formt die korrosionsbeständige Stahlfolie (im Folgenden auch als Stahlfolie bezeichnet) durch Andrücken an die Anfasung der Aussparung um. Im Rahmen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff des Umformens insbesondere das Erzeugen der Lochranderhöhung. Die Lochranderhöhung bezeichnet die Erhöhung eines gestanzten Lochs gegenüber einer Oberfläche der korrosionsbeständigen Stahlfolie. Lochranderhöhungen der Löcher einer mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Scherfolie weisen in Richtung eines zu installierenden Schermessers. Die Lochranderhöhung ermöglicht einen geringen Schneidspalt zwischen Scherfolie und Schermesser. Außerdem reduziert die Lochranderhöhung insgesamt eine Kontakt- fläche zwischen Scherfolie und Schermesser und sorgt somit für eine lange Standzeit des Schermessers.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass die fertigungstechnischen Eigenschaften der Matrize maßgeblich für die Geometrie der Lochranderhöhung und der Lochung selbst sind. Außerdem ist die Lochranderhöhung aller Löcher einer mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Scherfolie in etwa gleich groß.
Die Aussparung in der Matrize ist im Wesentlichen eine Vertiefung oder ein Loch, in die bzw. in das der Stempel der Vorrichtung zum Zwecke des Umformens und des Stanzens fährt. Ein durch das Stanzen entstehender Lochabfall verbleibt unterhalb der korrosions- beständigen Stahlfolie. Ein Umfangsverlauf der Aussparung ist beispielsweise kreisförmig, oval, drei-, vier- oder mehreckig.
Eine Anfasung meint im Rahmen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung eine im Übergang von der Auflagefläche zur Aussparung hin geneigte Schräge oder Rampe.
Nach einem ersten Stanzvorgang fährt der Stempel der Vorrichtung bevorzugt wieder aus der Aussparung heraus. Danach verschiebt die Vorrichtung die zu lochende Stahlfolie relativ zum Stempel und zur Matrize. Bevorzugt sind Stempel und Matrize bezüglich der Horizontalen fest zueinander angeordnet. Nach Verschiebung der Stahlfolie erfolgt ein neuer Stanzvorgang.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform be- vorzugt eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, den Niederhalter, den Stempel und das Verschieben der zu lochenden Stahlfolie aufeinander abgestimmt zu steuern, beispielsweise gemäß einer CNC- (engl.: Computerized Numerical Control) Steuerung.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Die zusätzlichen Merkmale dieser weiteren Ausführungsformen können miteinander und/oder mit oben bereits beschriebenen optionalen Merkmalen zur Bildung anderer Ausführungsformen kombiniert werden, soweit sie nicht ausdrücklich als alternativ zueinander beschrieben sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Aussparung der Matrize derart ausgestaltet, dass die Scherfolie einen positiven Schneidwinkel aufweist. Der Schneid- winket bezeichnet im Rahmen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung den innen- liegenden Winkel zwischen einer der Haut zuzuwendenden Oberfläche der Scherfolie und einer Innenmantelfläche des gestanzten Lochs. Ein positiver Schneidwinkel ist ein Winkel größer oder gleich 90°. In Bezug auf eine Oberfläche eines unterhalb des Lochs befindlichen Schermessers bedeutet ein positiver Schneidwinkel einen Winkel kleiner oder gleich 90°. Beispielsweise zeigen die weiter unten angeführten Abbildungen 44 und 45 einen positiven Schneidwinkel von ca. 90° bei einer mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Scherfolie. Ein positiver Schneidwinkel wirkt sich besonders gut auf das Schneidverhalten der Scherfolie aus.
In einer bevorzugen Ausführungsform weist die Anfasung eine Geometrie einer Kegel- mantelfläche auf. Dabei liegt der Winkel zur Auflagefläche beispielsweise im Bereich von 1° bis 40°. Bevorzugt sind grundsätzlich kleine Winkel und eine damit einhergehende kurze Lochranderhöhung. Es sind aber auch Ausführungsformen möglich, bei denen der Winkel 20°, 25° oder 30° beträgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die die Anfasung einen Winkel zur Auflagefläche auf, der mit steigender Entfernung von der Auflagefläche weg zur Aussparung hin zunimmt. Dies hat den Vorteil, dass zum einen der Umformvorgang einen stetigen Kraft-Weg-Verlauf zeigt und dadurch die Standzeit der Werkzeuge der Vorrichtung, insbesondere des Stempels und der Matrize, und die Stanzgeschwindigkeit erhöht werden kann, und zum anderen, dass die durch den Umformprozess entstehenden Restei- genspannungen der Stahlfolie reduziert wird und somit eine etwaiges Zurückfedern nach dem Stanzvorgang derselben verhindert wird.
Bevorzugt ist eine Andruckfläche des Stempels kegelförmig. Alternativ hat der Stempel eine ebene Andruckfläche. Die kegelförmige Andruckfläche hat den Vorteil, dass ein Hochreißen von Lochabfällen, die beim Stanzen entstehen, verhindert wird. Der halbe Öffnungswinkel beträgt beispielsweise in etwa 85°.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte technische Aufgabe gelöst für ein Verfahren zum Herstellen einer Scherfolie aus einer korrosionsbeständigen Stahlfolie. Das Verfahren des zweiten Aspektes der Erfindung umfasst die Schritte: - Bereitstellen der korrosionsbeständigen Stahlfolie, Anordnen der korrosionsbeständigen Stahlfolie auf einer einem Stempel zugewandten Auflagefläche einer Matrize, wobei die Matrize eine Aussparung aufweist und im Bereich eines Übergangs von der Auflagefläche zur Aussparung eine Anfa- sung vorgesehen ist, - Niederhalten der korrosionsbeständigen Stahlfolie auf der Auflagefläche der Matrize und
Umformen und Stanzen der niedergehaltenen Stahlfolie durch
Führen des Stempels derart, dass dieser die niedergehaltene Stahlfolie bei der Aussparung zunächst an die Anfasung zum Erzeugen einer Lochrander- höhung drückt und sodann locht und
Verschieben der korrosionsbeständigen Stahlfolie nach einem ersten Stanzvorgang relativ zur Matrize, so dass nach einem erneuten Stanzvorgang eine mehrfach gelochte korrosionsbeständige Stahlfolie als Scherfolie verbleibt Das Verfahren des zweiten Aspektes der Erfindung teilt die Vorteile der Vorrichtung des ersten Aspektes der Erfindung.
Nachstehend werden weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Die zusätzlichen Merkmale dieser weiteren Ausführungsformen können miteinander zur Bildung anderer Ausführungsformen kombiniert werden, soweit sie nicht ausdrücklich als alternativ zueinander beschrieben sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die korrosionsbeständige Stahlfolie derart verschoben, dass die Löcher der Scherfolie einen Lochmittenabstand im Bereich von 0,5 mm bis 2,5 mm zueinander aufweisen.
Die Lochranderhöhung liegt bei einer Ausführungsform des Verfahrens im Bereich von 0,01 mm bis 0,03 mm. Grundsätzlich ist eine geringe Lochranderhöhung bevorzugt.
Eine Ausführungsform des Verfahrens umfasst den zusätzlichen Schritt: Nachbearbeiten der Scherfolie durch Abschleifen des Lochrandes eines Lochs an der der Lochranderhöhung zugewandten Seite zum Erzeugen einer Schneidfläche.
Dies hat den Vorteil, dass eventuelle Höhenunterschiede zwischen den jeweiligen Lochranderhöhungen ausgeglichen werden.
Einen dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung bildet eine Scherfolie aus korrosionsbeständigem Stahl für einen Rasierapparat, aufweisend eine Vielzahl Löcher mit jeweiliger Lochranderhöhung, wobei ein jeweiliges der Vielzahl Löcher mit Lochranderhöhüng durch einen einzigen Stanzvorgang erzeugt ist.
Die erfindungsgemäße Scherfolie ist vergleichsweise schnell und unaufwendig herstellbar und zeichnet sich durch eine hohe Hautverträglichkeit aus.
Bevorzugt weist ein jeweiliges Loch der Scherfolie einen positiven Schneidwinkel auf. Bevorzugt ist die Scherfolie hergestellt durch:
Bereitstellen einer korrosionsbeständigen Stahlfolie,
Anordnen der korrosionsbeständigen Stahlfolie auf einer einem Stempel zugewandten Auflagefläche einer Matrize, wobei die Matrize eine Aussparung aufweist und im Bereich eines Übergangs von der Auflagefläche zur Aussparung eine Anfa- sung vorgesehen ist,
Niederhalten der korrosionsbeständigen Stahlfolie auf der Auflagefläche der Matrize und
Umformen und Stanzen der niedergehaltenen Stahlfolie durch
Führen des Stempels derart, dass dieser die niedergehaltene Stahlfolie bei der Aussparung zunächst an die Anfasung zum Erzeugen einer Lochranderhöhüng drückt und sodann locht und
Verschieben der korrosionsbeständigen Stahlfplie nach einem ersten Stanzvorgang relativ zur Matrize, so dass nach einem erneuten Stanzvorgang ei- ne mehrfach gelochte korrosionsbeständige Stahlfolie als Scherfolie verbleibt.
Der korrosionsbeständige Stahl (im Folgenden auch als Stahlfolie bezeichnet) ist bevorzugt weitestgehend nickelfrei. Beispielsweise umfasst die korrosionsbeständige Stahlfolie Chromstahl. Die Dicke der Scherfolie liegt bevorzugt im Bereich von 0,02 mm bis 0,05 mm.
Die Löcher der Scherfolie weisen bevorzugt einen Durchmesser auf, der im Bereich von 0,15 mm bis 0,75 m liegt.
Einen vierten Aspekt der Erfindung bildet ein Rasierapparat mit einer Scherfolie des dritten Aspektes der Erfindung.
Merkmale einer oder mehrerer bestimmter Ausführungsformen eines Aspektes der Erfindung lassen sich sinngemäß zur Bildung einer nicht bereits ausdrücklich beschriebenen Ausführungsform eines anderen Aspektes der Erfindung heranziehen. Beispielsweise ist also die Vorrichtung des ersten Aspektes der Erfindung bevorzugt ausgebildet, eine korrosionsbeständige Stahlfolie mit einer Dicke im Bereich von 0,02 mm bis 0,05 mm zu verarbeiten.
Nachfolgend sind die oben geschilderten Aspekte der vorliegenden Erfindung sowie ihre Vorteile im Detail und anhand von Beispielen ausführlich beschrieben. Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sind insbesondere in Abbildung 9 und in Abbildung 10 veranschaulicht. In Abbildung 48 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Scherfolie dargestellt. Abbildungen 44 und 45 zeigen deutlich den positiven Schneidwinkel von etwa 90° einer durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. durch die erfindungsgemäße Vorrichtung hergestellten Scherfolie.
Kurzfassung
Der Einsatz von elektrischen Rasierapparaten hat sich heute schon millionenfach bewährt. Empfinden doch viele Kunden die Handhabung und Anwendung solcher Geräte als angenehmere Alternative zur Nassrasur. Auch die technologische Entwicklung der Rasierapparate ist mittlerweile so weit fortgeschritten, dass bereits jegliche Kundenwünsche erfüllt werden. Jedoch stellen neue Erkenntnisse aus dermatologischen Studien, über die schlechte Hautverträglichkeit von Nickel, eine Herausforderung für die Hersteller dieser Geräte dar. Ist doch ein galvanisches Herstellverfahren für die Scherfolien aus reinem Nickel zurzeit bei vielen Produzenten üblich. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Analyse zu einem alternativen Herstellverfahren dieser Scherfolien aus korrosionsbeständigem Stahl. Ein Wechsel des Werkstoffes hat zur Folge, dass ein neues Produktionsverfahren entwickelt werden muss. In dieser Arbeit wurde versucht, die Scherfolie in Funktionen zu klassifizieren, um daraus die Eigenschaften einer solchen zu definieren. Nach Festlegung dieser Eigenschaften wurden verschiedene Stanz- bzw. Umformkonzepte gegenübergestellt und ein Versuchswerkzeug hergestellt. Dabei bestand die Innovation dieser Arbeit in einer besonderen Gestaltung der Schnittelemente zur Herstellung der Lochranderhöhung welche für Scherfolien unbedingt notwendig sind. Die Fertigung der Werkzeugkomponenten war durchaus mit Herausforderungen verbunden, da die Größenordnung der gestanzten Löcher bereits die Mikroproduktionstechnik tangiert und dadurch besondere Fertigungsverfahren mit niedrigen Toleranzen gefordert waren. Die Ergebnisse und Interpretation dieser Versuche, sind in dieser Arbeit ebenso enthalten wie ein Ausblick über eine mögliche Weiterentwicklung zur Serienreife.
4 Zielsetzungen der Arbeit
Ausgehend von den gesammelten Daten über das Lochen von kleinen Durchmessern, soll nun ein Konzept erstellt werden, welches dabei helfen soll, einen Lösungsweg zum Entwickeln eines neuen Produktionsverfahrens zu finden. Die Zielsetzung besteht am Ende dieser Arbeit jedoch nicht darin, ein fertiges Verfahren zu präsentieren, sondern verschiedene Optionen zu prüfen und jene mit dem größten Potenzial mittels einer Versuchsdurchführung auszuprobieren. In einer abschließenden Bewertung soll dann eine Aussage darüber getroffen werden, ob das gewählte Verfahren für eine mögliche Serienreife weiterentwickelt werden kann, oder ob es aufgrund auftretender Probleme verworfen werden muss.
Die Zielsetzung dieser Diplomarbeit kann also wie folgt kurz zusammengefasst werden:
1. Untersuchung und Bewertung von Schneidkonzepten für eine Scherfolie
2. Auswahl eines Konzeptes
3. Konstruktion und Entwicklung eines Versuchswerkzeuges
4. Versuchsdurchführung mit Werkzeug
5. Bewertung der Ergebnisse
6. Ausblick hinsichtlich Serienproduktion Da bei der Scherfolie ein Wechsel des Werkstoffs und des Verfahrens zwangsläufig auch eine Veränderung der Stoffeigenschaften und der Loch- bzw. Foliengeometrie zur Folge hat, soll in einer Funktionenanalyse das Scherblatt hinsichtlich seiner Funktionen und der Erfüllung dieser beschrieben werden.
Die Bewertung und Auswahl des Schneidkonzeptes erfolgt mittels Beurteilung der Vor- und Nachteile der einzelnen Varianten.
Mit der Durchführung einer FMEA sollen nach der Auswahl des Schneidverfahrens, mögliche Fehlerquellen frühzeitig erkannt werden und mögliche Gegenmaßnahmen schon in der Konstruktionsphase berücksichtigt werden.
Bei der Konstruktion und dem Bau des Versuchswerkzeuges soll aus Kostengründen besonders darauf geachtet werden, dass möglichst viele Normteile zum Einsatz kommen.
Zur Versuchsdurchführung stehen entweder eine Kniehebelpresse, ein Stanzautomat mit 300kN Druckkraft (Bruderer) oder eine CNC-Koordinatenschleifmaschine zur Verfügung.
Die Bewertung der Versuchsergebnisse soll mittels optischer Mikroskope, einem IFM (Infinite Focus Microscope) und REM (Rasterelektronenmikroskop) erfolgen.
5 Konzeptentwicklung
Nach den gesammelten Erkenntnissen besteht nun der nächste wichtige Schritt in der Entwicklung eines Konzeptes für die weitere Vorgehensweise.
Zunächst wird die aktuelle Scherfolie (Nickel - galvanisches Herstellverfahren) beschrieben. Darauf folgt eine Funktionenanalyse, in der die Scherfolie bzw. deren Eigenschaften unabhängig von Material und Produktionsverfahren beschrieben werden. Anschließend sollen im Bezug auf diese Analyse und der Gegenüberstellung verschiedener Schneidkonzepte eine Bewertung und die Entscheidung für eine Versuchsmethode fallen.
5.1 Beschreibung der aktuellen Scherfolie
Die gegenwärtig zum Einsatz gebrachten Folien werden wie in Kapitel 3 beschrieben aus reinem Nickel galvanisch hergestellt. Abbildung 1 zeigt eine Scherfolie in der Draufsicht im ebenen, also nicht um das Schermesser gekrümmten, Zustand. Bei der aktuell her- gestellten Folie ist nur rund ein Viertel der Fläche die eigentliche Haarschneidezone. In der umliegenden Zone dürfen keine Haare durch die Folie eindringen.
Die eigentliche Haarschneidezone (grün markierte Fläche) deckt etwa nur ein Viertel der Gesamtfläche in der Mitte des Scherblattes ab. Dieser Bereich wird umrandet von einer Zone mit kleineren Lochdurchmessern (rot markierte Fläche). Da hier kein Formschluss zum Messer mehr besteht, sollen diese verhindern, dass Barthaare eindringen können, um ein schmerzhaftes Reißen an ihnen zu verhindern. Abbildung 2 zeigt das Lochmuster im Detail. Die größten Lochdurchmesser betragen 00,53mm die kleinsten 00,33mm, der Lochabstand beträgt 0,7mm. Der Lochrand wird an der Oberseite, welche zugleich die der Haut zugewendete Seite darstellt, bedingt durch das vertikale und laterale Wachstum der Schichtdicke beim galvanischen Abscheiden optimal verrundet. An der Unterseite besteht eine 0,015mm hohe Lochranderhöhung (siehe Abbildung 3). Die Lochranderhöhung ermöglicht einen nahezu spaltfreien Formschluss zum darunter liegenden Schermesser. Durch den Einbau in den Scherkopf des Rasierapparates wird die Scherfolie formschlüssig über das Schermesser gespannt. Der Schneidspalt zwischen Folie und Messer ist somit theoretisch Null. Nach wenigen Rasieranwendungen, wenn also Folie und Messer aufeinander„eingeschliffen" sind, erreicht der Apparat seine optimale Rasierleistung. Solange die Schneidkanten des Messers und der Folie noch nicht verrundet sind und die Lochranderhöhung abgenutzt ist, ist die Schneidleistung des Geräts in Ordnung. Wenn jedoch diese oben genannten Effekte einzutreten beginnen, reduziert sich die Rasierleistung signifikant. Hersteller empfehlen deswegen einen regelmäßigen Tausch der Scherkomponenten. Die Scherfolie wird formschlüssig über das Schermesser gespannt. Nach einer kurzen Phase des Einschleifens erreicht der Rasierapparat die optimale Leistung. Die Funktionenanalyse soll helfen die Funktionen einer Scherfolie festzustellen um daraus die Eigenschaften einer Folie aus Stahl zu definieren.
5.2 Funktionenanalyse Scherfolie
Es ist unmöglich mit zwei verschiedenen Materialien und Fertigungsverfahren eine identische Scherfolie herzustellen. Darum sollen hier zunächst in einer Funktionenanalyse die Aufgaben und Eigenschaften der Scherfolie definiert werden. Diese Festlegung soll dann bei der Erstellung des Stanz- und Umformkonzeptes helfen Lösungen zu finden. 5.2.1 Das Werkzeug - Funktionenanalyse
Dabei ist es von Vorteil, sich von den bisherigen Lösungsprinzipien gedanklich zu trennen. (Naefe 2008, S.52)
Nach Akiyama (1994, S.29ff) geht man mit einem sogenannten dreistufigen Vorgehens- konzept vor:
1. Erfassen des Analyseobjektes
2. Benennen der Funktionen
3. Strukturieren der Funktionen
Der erste Schritt beinhaltet hauptsächlich das Sammeln von Daten über das Analyseob- jekt. Dabei ist es wichtig, alle bei der Analyse teilnehmenden Personen mit einzubinden und die Sprech- und Sichtweisen zu vereinheitlichen. (Wohinz et. al 2008) Nach dem Sammeln von Daten über das Analyseobjekt werden Funktionen in der Substantiv - Verb Form festgelegt.
Das Benennen der Funktionen stellt den eigentlichen Kern der Funktionenanalyse dar. Hierbei werden mit einer ausreichenden Abstraktion (d. h. gedanklicher Abstand zur aktuellen Lösung) die Aufgaben und Eigenschaften die Funktionen bestimmt. Laut Naefe (2008, S.52) sind hierbei zwei Fragestellungen hilfreich:
Welche Eigenschaften muss die Scherfolie haben?
Welche Eigenschaften darf sie nicht haben? Um die Funktionen kurz und prägnant zu formulieren, werden sie in einer Substantiv- Verb-Form aufgeschrieben.
Die letzte Aufgabe besteht darin, die benannten Funktionen zu strukturieren. Dabei werden Haupt- und Nebenfunktionen in einer Wozu-Wie-Logik verknüpft und in einem Funktionenbaum dargestellt. Die Fragestellungen bei dieser Logik lauten folgenderma- ßen:
Wie wird eine Funktion erfüllt? (von Haupt- zu Nebenfunktion)
Wozu wird eine Funktion benötigt? (von Neben- zu Hauptfunktion) Bei der Klassifizierung von Funktionen unterscheidet man HaupWNeben, Soll-/Muss, Gebrauchs-/Geltungsfunktionen, erwünschte/unerwünschte, vermeid-/nicht vermeidbare Funktionen. Bei Funktionen unterscheidet man jedoch nicht nur nach Haupt- und Nebenfunktionen, sondern auch nach anderen Klassifizierungen. Abbildung 5 zeigt ein Gliederungskonzept von Funktionen. Dabei gilt es zum Beispiel zu unterscheiden, ob Funktionen erfüllt sein müssen oder können, mehr oder weniger wichtig, vermeidbar oder unvermeidbar sind.
Daraus kann man folgende Schlussfolgerungen ziehen: Es gibt ermittelte Funktionen - auch Muss-Funktion genannt - die sehr wichtig und deren Umsetzung für den Gebrauch des Produktes zwingend notwendig sind. Umgekehrt dazu, gibt es Funktionen - sogenannte Kann-Funktionen - die zwar wünschenswert, aber nicht zwingend notwendig sind.
5.2.2 Analyseobjekt Scherfolie
Im Bezug auf diese Arbeit stellt die Scherfolie das Analyseobjekt dar. Die Funktionenanalyse wurde mit einem Arbeitsteam des Herstellers durchgeführt. Die festgelegten Funktionen für die Scherfolie werden in einem Funktionenbaum gegliedert.
Abbildung 6 zeigt den erstellten Funktionenbaum der Scherfolie. Dabei stehen in der linken Spalte die Hauptfunktionen, welche nach rechts in zwei Nebenfunktionsebenen unterteilt werden. Rechts nebenstehend sind Kommentare angefügt, wie die Funktionen erfüllt werden können. Letztendlich geht es mit der Suche nach einem neuen Produktionsverfahren nicht darum, ein völlig neuartiges Produkt herzustellen, sondern durch geeignete Gestaltung und Adaption alle erforderlichen Funktionen zu erfüllen.
5.2.3 Fazit aus der Analyse
Betrachtet man den ermittelten Funktionenbaum, dann ergeben sich für den Einsatz einer Scherfolie folgende Funktionen, die zwingend erfüllt werden müssen:
• Scherfolie lochen
• Schneidspalt minimieren (praktisch null zwischen Messer und Folie)
• Schneidkante schärfen (kein negativer Schneidenwinkel)
• Kontaktfläche minimieren (Effekt der Lochranderhöhung)
• Lochkante abrunden (auf der Haut zugewandten Seite)
• Haarzuführung verhindern (in der Randzone) • Hautdurchführung verhindern
Als wünschenswerte Funktionen sind festgelegt:
• Lochkante einsetzen (zum Aufrichten des Barthaares)
• Gleiteigenschaften aufweisen
• Nickelabscheidung eliminieren
• Reibung reduzieren, bzw. Wärme abführen
Die restlichen Funktionen sollen in dieser Arbeit nicht berücksichtigt werden. Hinsichtlich dieser Definition soll nun die Lochgeometrie diskutiert werden.
Abbildung 7 zeigt einen Detailausschnitt vom Lochrand einer galvanisch hergestellten Folie. Das Schermesser berührt die Folie nur auf einer kleinen Fläche. Alle Muss- Funktionen sind erfüllt. Jedoch ist die Soll-Funktion Nickelabscheidung eliminieren nicht erfüllt. Die Nickelfolie erfüllt alle Muss-Funktionen, jedoch wird die Kann-Funktion„Nickelabscheidung eliminieren" nicht erfüllt. Tabelle 1a stellt die Funktionen und deren Erfüllung gegliedert dar.
Tabelle 1a Funktionenerfüllung bei Nickelfolie
Muss - Funktionen Kann - Funktionen
■ Scherfolie lochen ♦ Lochkante einsetzen
■ Schneidspalt minimieren ♦ Gleiteigenschaften aufweisen
■♦ Schneidkante schärfen • Nickelabscheidung eliminieren
■ Kontaktfläche minimieren ♦ Reibung reduzieren
■ Lochkante abrunden ♦ Wärme abführen
■ Haarzufürung verhindern
■ Hautdurchfühning verhindern
Legende: ■ erfüllt ♦ teilweise erfüllt · nicht erfüllt
In einem ersten Schritt wurde nun überlegt, ob auf die Lochranderhöhung beim Stanzen verzichtet werden kann, bzw. der Schneidgrat vom Lochen als Erhöhung ausreicht (siehe Abbildung 8). Die Ausführung eines solchen Werkzeuges wäre ohne Zweifel am einfach- sten und kostengünstigsten. Betrachtet man aber das vermutete Endergebnis anhand des Forderungskataloges, kommt man zum Schluss, dass der Schnittgrat vermutlich nicht ausreicht oder zu schnell verschleißt, dass viele Funktionen gar nicht oder nicht ausreichend erfüllt werden.
In Tabelle 2a wird sichtbar, dass viele Muss-Funktionen aller Wahrscheinlichkeit nach nicht erfüllt werden. Eine normal gelochte Folie erfüllt die geforderten Muss-Funktionen teilweise nicht und ist daher nicht brauchbar. Eine Variante dieses Verfahrens wäre, den Schneidspalt zu vergrößern und/oder die Schneidkante der Matrize abzurunden, um einen größeren Schnittgrat zu erhalten. Jedoch wird hier aufgrund der unregelmäßigen Grathöhe eine weitere Nachbearbeitung notwendig werden. Deshalb wird diese Idee in der kommenden Vorgehensweise zunächst nicht weiter verfolgt.
Tabelle 2a Funktionenerfullung bei einfach gelochter Folie
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Legende: ■ erfüllt ♦ teilweise erfüllt · nicht erfüllt
Eine weitere Möglichkeit zum Erreichen einer größeren Lochranderhöhung wäre, einen weiteren umformenden Prozessschritt an das Lochen anzuhängen. Das heißt, die Folie nach dem Lochen weiter zu positionieren und mit Prägematrize und Stempel die Lochranderhöhung zu erzeugen. Allerdings ergibt sich dadurch ein neues Problem: die exakt konzentrische Positionierung der gelochten Folie über der Prägestation im μπη-ΒβΓβίθΓΐ, da sonst keine gleichmäßige Erhöhung erzeugt würde. Auch hier wurde die Entscheidung getroffen, in diese Richtung vorerst nicht weiterzugehen.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Lochung der Scherfolie mit einer modifizierten Matrize. Dabei wird die Schneidkante kegelig abgeschrägt gefertigt. Der Vorteil dieser Variante besteht darin, dass mit einem Arbeitshub die gesamte Lochgeometrie samt Lochranderhöhung hergestellt wird und die Konzentrizität zwischen Lochranderhöhung und Bohrung allein von der Fertigungsgenauigkeit der Matrize abhängig ist. Abbildung 9 zeigt den Vorgang in vier Sequenzen. Zunächst wird die Folie mit dem Niederhalter geklemmt (a). Danach zieht der niedergehende Stempel das Blech in die kegelige Vertiefung, bis die Schneidkante erreicht wird (b). Anschließend beginnt der eigentliche Lochungsvorgang (c). Aufgrund der Biegespannungsverhältnisse wird der Lochrand nach dem Stempelrückzug etwas auffedern (d). Die Modifizierung der Matrize besteht durch ein kegeligschleifen der Schneidkantenbereichs.
Abbildung 10 zeigt diese Folie in der Schersituation. Dabei werden zwei Varianten gezeigt. Variante a zeigt eine Folie im nicht nachbearbeiteten Zustand. Es kann vorausgehend keine Aussage darüber gemacht werden, ob eine Nachbearbeitung der Folie notwendig ist, um eventuelle Höhenunterschiede auszugleichen, oder ob die Toleranz nach dem Lochen ausreichend ist und sich Messer und Folie selbst aufeinander„einschleifen". Variante b zeigt eine nachträglich geschliffene und daher in der Höhe egalisierte Scherfolie. Eine mit modifizierter Matrize gelochte Scherfolie erfüllt sowohl die Muss-Funktionen, als auch die Funktion„Nickelabscheidung eliminieren".
Auch hier wurde die Erfüllung der Funktionen prognostiziert (siehe Tabelle 3a). Aufgrund des Potenzials wurde diese Fertigungsvariante für eine Überprüfung in einem Versuch ausgewählt.
Tabelle 3a Funktionenerfullung von gelochter Folie mit modifizierter Schneide
Muss - Funktionen Kann - Funktionen
■ Scherfolie lochen ■ Lochkante einsetzen
■ Schneidspalt minimieren ♦ Gleiteigenschaften aufweisen
■ Schneidkante schärfen ■ Nickelabscheidung eliminieren
■ Kontaktfläche minimieren ♦ Reibung reduzieren
■♦ Lochkante abrunden ♦ Wärme abführen
■ Haarzufürung verhindern
■ Hautdurchführung verhindern
Legende: ■ erfüllt ♦ teilweise erfüllt · nicht erfüllt Abbildung 11 stellt noch einmal eine Gegenüberstellung zwischen der galvanisch hergestellten Nickelfolie und der gelochten Stahlfolie mit modifizierter Schneidmatrize dar.
5.3 Gegenüberstellung der Schneidkonzepte
Die in Kapitel 3 erwähnten Schneidkonzepte, Gesamtschnitt, Folgeschnitt und Stanzautomation werden hier noch einmal hinsichtlich der Fertigung des Scherblattes mit Vor- und Nachteilen gegenübergestellt. Dies soll helfen, ein Verfahren für die Versuche durchzuführen.
5.3.1 Gesamtschneidverfahren
Würde man das Scherblatt mittels Gesamtschneidverfahren herstellen, so würde das heißen, dass im Werkzeugunterteil der Stempel mit ca. 1500 Bohrungen verschiedener Durchmesser sein würde. Im Oberteil müssten zur Matrize folglich 1500 Lochstempel integriert werden. Zusätzlich müssten noch Abstreifer auf Ober- und Unterteil realisiert werden. Beim Gesamtschneidverfahren würden alle 1500 Löcher und AuBenkontur der Scherfolie mit einem Hub gefertigt.
Tabelle 4a Vor- / Nachteile des Gesamtschneidverfahrens
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5.3.2 Folgeschneidverfahren
Beim Folgeschneidverfahren hat man die Möglichkeit einer flexiblen Gestaltung des Werkzeugs. Dabei gibt es mehrere Lösungsmöglichkeiten. Wie bereits erwähnt, beträgt der Lochmittenabstand der Scherfolie 0,7mm. Wählt man für die Folge beim Stanzen in einer Station einen Lochmittenabstand von 1,4mm, was die konstruktive Gestaltung sehr vereinfachen würde, so müssten alleine für den Lochungsvorgang 4 Stationen gebaut werden. Bei einem Lochmittenabstand von 2,1 mm wären es bereits 9 Stationen usw. Allerdings stellt das Weitertakten von Station zu Station eine große Herausforderung dar. Hier müsste sicher mit mehreren Sucherstiften gearbeitet werden. Tabelle 5a zeigt die Vor- bzw. Nachteile des Folgeschneidverfahrens. Beim Folgeschnirt könnte der aufgrund der geringen Abstände herzustellende Lochraster einfacher hergestellt werden. Benötigt würden ca. 6 bis 13 Folgestationen.
Tabelle 5a Vor- / Nachteile des Folgeschneidverfahrens
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5.3.3 Stanzautomation
Die Stanzautomation stellt das dritte Lösungskonzept für die Scherfolie dar. Für diese Lösung wird jeweils für einen Durchmesser, nur eine Schnitteinheit bestehend aus Stempel und Matrize benötigt. Das macht bei 5 verschiedenen Durchmessern 5 Schnitteinheiten. Das Blech wird mittels CNC Steuerung in X und Y Koordinate positioniert. Nach jeder Positionierung wird ein Stanzhub durchgeführt. Dieses Verfahren ist sehr flexibel und die Herstellung des Werkzeuges verhältnismäßig billig und einfach, dafür ist die Realisierung eines CNC gesteuerten X-Y Tisches aufwendig und teuer. Ein großer Vorteil liegt in der Erzeugung der Lochranderhöhung. Da hier nur eine Matrize beim Lochen aller Bohrungen im Scherbereich verwendet wird, ist die Lochranderhöhung bei allen Durchbrüchen die gleiche. Tabelle 6a stellt die Vor- bzw. Nachteile der Stanzautomation gegenüber. Die Stanzautomation stellt die flexibelste und am einfachsten herzustellende Lösung dar. Dafür dauert die Bearbeitung am längsten.
BEHIUHTIGTES BLA \ I (HEÜEL 91 ) ISA/EP Tabelle 6a Vor- / Nachteile der Stanzautomation
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5.4 Beurteilung und Entscheidung
Aufgrund der gesammelten Daten und der Beurteilung der Vor-/Nachteile der einzelnen Verfahren wurde die Entscheidung für die Stanzautomation gefällt. Aufgrund der Wichtigkeit einer exakt herzustellenden Lochranderhöhung wurde vor allem dem Argument der immer gleichen Lochranderhöhung besonders viel Gewicht gegeben. Zudem ist auch die Versuchsdurchführung bei diesem Verfahren am einfachsten umzusetzen. Trotzdem sind auch bei diesem Konzept einige Probleme zu lösen. Zum einen stellen die präzise Fertigung und die kleinen Dimensionen des Werkzeuges eine große Herausforderung dar, zum anderen sind für dieses Konzept keine handelsüblichen Stanzpressen verfügbar. Aufgrund der Flexibilität und der immer gleichen Lochranderhöhung wird die Entscheidung für die Stanzautomation getroffen.
5.5 Risikoanalyse zur Stanzautomation
Durch eine Risikoanalyse sollen mögliche Ursachen für Fehler und mögliche Gegenmaßnahmen schon im vorhinein ermittelt werden. Die Risikoanalyse ist ein Werkzeug der FMEA, um Fehler, deren Konsequenzen und mögliche Fehlerursachen bereits bei der Produktkonzeptionierung zu identifizieren und hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit der Entdeckung und ihres Auftretens sowie ihrer Bedeutung nach zu bewerten, mit dem Ziel, noch vor Produktionsaufnahme Korrekturmaßnahmen zur Vermeidung dieser möglichen Fehler entwickeln zu können. (Simon et al. 2002, S.134) Eine solche Risikoanalyse wurde nach Entscheidung für das Stanzkonzept mit Mitarbeitern aus verschiedenen Abteilungen der Unternehmung durchgeführt. Die Analyse beruht auf empirischen Erfahrungen und Vermutungen der Mitarbeiter und gestaltete sich in dieser Hinsicht schwierig, da nur wenige Erfahrungen auf dem Gebiet des Stanzens in diesen Dimensionen und mit diesem Verfahren vorhanden sind. Jedoch sollten mögliche Risiken und deren Folgen bereits im Vorhinein abgeklärt werden, um mit eventuellen Gegenmaßnahmen schneller und zielgerichteter zu reagieren. Tabelle 7a zeigt das Ergebnis der Analyse.
Tabelle 7a Risikoanalyse - Stanzautomation Scherfolie
Figure imgf000020_0001
Kurz zusammengefasst kann aus dieser Risikoanalyse folgendes entnommen werden. Ein Verwerfen und Verziehen der Scherfolie durch den Umform- und Stanzprozess wird mit großer Sicherheit erwartet. Dies würde ein nachträgliches Planrichten der Folie notwendig machen. Ein anderer Risikofaktor besteht im Zweifel an der Gleichmäßigkeit der Lochranderhöhung, bzw. der Qualität der gelochten Lochleibungsfläche. Nur kleinste Höhendifferenzen in der Lochranderhöhung machen die Scherfolie unbrauchbar. Wün- schenswert wäre natürlich, nach dem Umformverfahren keine weitere Bearbeitung der Folie durchführen zu müssen. Bei Toleranzüberschreitung könnte aber ein nachträgliches Egalisieren der Lochranderhöhung durch Schleifen die geforderten Toleranzen erfüllen. Ein weiteres Risiko wird gesehen in der hohen Abstreifkraft aufgrund der Geometrie der modifizierten Matrize, sodass die gelochte Folie den Stempel beim Rückzug klemmt. Auch hier würden Gegenmaßnahmen, wie das IVIodifizieren des Niederhalters und der Matrize, oder eine Beschichtung des Stempels mit der Eigenschaft eines niedrigen Reibungskoeffizienten, vermutlich helfen. Als letztes Risiko wurde die Rückfederung der Lochranderhöhung gesehen, welches mit geometrischen Adaptierungen von Stempel und/oder Matrize, oder durch Wahl eines duktileren Werkstoffes mit geringerer Festigkeit für die Scherfolie, umgangen werden kann.
6 Erstellen des Versuchaufbaus
Nach Festlegung des Schneidkonzeptes, mit modifizierter Matrizengeometrie, wird hier nun die Konstruktion, Fertigung und die provisorische Adaptierung auf eine X-Y gesteuer- te Stanzautomation geschildert.
6.1 Versuchswerkstoff der Scherfolie
Die verfügbaren Stahlbleche in der Dicke 0,03 - 0,05mm sind am Markt nur sehr beschränkt verfügbar. Nickelfreie Stähle sind mit dieser Banddicke nicht ab Lager erhältlich und wären für einen ersten prinzipiellen Versuch zu teuer. Als Versuchswerkstoff wurde ein vergleichsmässig leicht erhältlicher 1.4310 nach X10CrNi18-8 mit einer Dicke von 0,04mm gewählt. Der Stahl enthält neben einem Kohlenstoffgehalt von 0,10% im Wesentlichen noch 18% Chrom und 8% Nickel. Aufgrund des hohen Umformgrades durch das Kaltwalzen besitzt dieser Stahl eine Zugfestigkeit□□ von 1300 - 1600 [N/mm2] und wird daher auch als rost- und säurebeständiger Federstahl bezeichnet. Als Versuchs- Werkstoff wurde ein hochlegierter rostfreier Cr-Ni-Stahl gewählt. Dieser besitzt im Kaltgewalzten Zustand eine Zugfestigkeit von 1600 N/mm2
6.2 Berechnungen
6.2.1 Schneid- und Abstreifkräfte
tJEKICHTlüTES BLATT (REGEL 91 ) ISA/EP Um die Werkzeugkräfte abzuschätzen sind hier folgende Berechnungen gemacht worden. Als Variablen wurde die Zugfestigkeit Rm von 1300 - 1600 [N/mm2] in Schritten von Hundert und der Lochdurchmesser (00,53; 00,43; 00,26) gewählt. Der Schneidwiderstand ks wurde mit ks = 0,8 Rm festgelegt. Die Abstreifkraft beträgt laut Kapitel 3.3.1 FRmi„ 1 % und FRmax 40% der maximalen Schneidkraft Fsmax- Desweiteren wurde auch der Druck am Stempelkopf anhand der Schneidkraft überprüft ob der kritische Wert von 250 [N/mm2] überschritten wird. Die Auflagefläche hierbei stellt einen kreisförmigen Querschnitt mit dem Durchmesser von 1mm dar. Die Ergebnisse sind in Tabelle 8a dargestellt. Die ersten Berechnungen prognostizieren eine maximale Schneidkraft von ca. 85N. Bei 5% Abstreifkraft würden dann ca. 4N benötigt.
Tabelle 8a Berechnung von Schnitt-, Rückziigskraft und Druck am Stempelkopf
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Die Schlussfolgerungen aus der ersten Berechnung zeigen, dass die maximale Schneidkraft bei ca. 85N liegt, ein Wert der ohne weiteres sogar durch Handbetätigung erzeugt werden kann. Die maximale Flächenpressung am Stempelkopf wird mit ca. 109N berech- net und liegt daher im sicheren Bereich. Eine zusätzlich gehärtete Druckplatte ist daher nicht notwendig
6.2.2 Schneidspalt
Die Festlegung des Schneidspalts orientierte sich nach den kleinsten in der Literatur empfohlenen (2%- %) aber technisch noch herstellbaren Dimensionen. Dabei fiel die Entscheidung auf 4%-5% der Blechstärke, was einem us = 0,0016 ... 0,0020mm entspricht. Eine Vergrösserung aufgrund schlechter Qualität der Lochleibung (Zipfelbildung) und/oder aus Toleranzgründen kann im Nachhinein jederzeit durchgeführt werden. Der Schneidspalt wird mit 4%-5% gewählt und beträgt zwischen 1 ,6 - 2,0μιη. 6.3 Konstruktion des Versuchswerkzeugs
Das Versuchswerkzeug wird als 4-fach säulengeführtes Gestell konzipiert. Der Aufbau erfolgt mit Platten aus CFK. Hohe Steifigkeit und präzise Führung sind bei geringen Schneidspalten unumgänglich.
Bei der Konstruktion des Versuchswerkzeuges musste vor allem bedacht werden, dass das Werkzeug in keiner Stanzpresse zum Einsatz kommt und daher die gesamte vertikale Führung im Werkzeug selbst realisiert werden muss.
Die Folgerung daraus ist, dass das Werkzeug ausreichend starr geführt sein muss. Die Wahl fiel daher auf ein vierfach säulengeführtes Werkzeuggestell. Die Säulen sind dabei spielfrei unter ausreichender Vorspannung Kugelgeführt. Abbildung 12 zeigt das Werk- zeug schematisch. Es ist durch seinen Aufbau universell einsetzbar und für verschiedene Schneidgeometrien einfach adaptierbar. Durch die die Befestigung der Säulen an der Führungsplatte ist eine einfache Montage möglich. Im ersten Montageschritt wird lediglich die Führungsplatte mit dem Werkzeugunterteil verbaut. In diesem Zustand können Matrize und Führungs- bzw. Abstreiferplatte genau zueinander justiert werden. Die Justierung erfolgt mit separaten Passstiften und Kugelkäfigen. Im nächsten Schritt wird der Werkzeugoberteil mit Stempelhalter und Stempel aufgesetzt.
Zwischen Grundplatte und Führungsplatte und zwischen Führungsplatte und Deckplatte sind Federelemente eingebaut die zum einen die Kraft des Niederhalters und zum anderen die Abstreifkraft realisieren. Das Werkzeug ist also selbstöffnend und benötigt für den Arbeitshub nur eine Druckkraft von oben. Die Grundplatte, Führungsplatte und Deckplatte sind aus CFK (Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) gefertigt. Dies gewährt hohe Steifigkeiten (etwa im Bereich von Stahl) bei nur etwa einem Fünftel des Eigengewichtes.
Ein wichtiges Detail des Werkzeugs liegt in der konzentrischen Ausrichtung zwischen Abstreiferplatte und Schnittplatte. Hierzu dienen vier 08,0 Passstiftbohrungen mit denen lediglich diese beiden Platten zueinander ausgerichtet und danach mit Führungs- bzw. Grundplatte verschraubt werden. Nach dem Justieren werden die Passstifte wieder vorsichtig entfernt. Die Führungs- bzw. Grundplatte sind im Bereich der Passstiftbohrun- gen freigestellt. Die Ausrichtung zwischen Stempel und Matrize erfolgt mittels zusätzlicher Passstifte und Kugelkäfige, die nach dem Justageprozess wieder entfernt werden.
6.4 Fertigungstechnische Aspekte
Bei der Fertigung der Werkzeugkomponenten muss vor allem bei den Funktionstragenden Bauteilen sorgfältig und mit höchster Präzision gearbeitet werden. So ist es wichtig, dass alle Platten absolut plangeschliffen sind. Die Bohrungen der Säulen und Führungsbuchsen müssen jeweils genau in der Position und dem Winkel gefertigt werden. Geringste Abweichungen im Bereich von >2μηη würden ein Lochen von diesen Durchmessern und Schneidspalten nicht mehr zulassen. Die exakte Planheit aller Platten ist bei der Fertigung ebenso wichtig wie die Rechtwinkeligkeit der Säulen und Buchsen. 6.4.1 Fertigung der Schneidelemente
Die Schneidelemente sind zum Teil als Normalien verfügbar und kommen aus dem Bereich der LTCC - Fertigung wo heute Bohrungen im Bereich von 00,08mm - 00,26mm gestanzt werden. Die Fertigungsverfahren für diese Elemente sind zum Teil von der Uhrenindustrie übernommen und adaptiert worden und sind äußerst präzise. Die Schneidelemente sind als Standardelemente der LTCC - Fertigung verfügbar und müssen nur geringfügig verändert werden.
6.4.2 Fertigung der Abstreif- und Schnittplatte
Besondere Aufmerksamkeit galt auch der Fertigung von Abstreifplatte und Schnittplatte, müssen doch diese zwei Platten die konzentrische Position von Schneidmatrizenbuchse und Abstreif- bzw. Führungsbuchse garantieren. Deshalb wurden diese beiden Teile gleichzeitig im Paket, d.h. übereinander gespannt mittels Drahterosion gefertigt. Dadurch wird die exakte Positionsgleichheit der Einsatzbohrungen und der Passstiftbohrungen zueinander garantiert. Hierbei ist sowohl auf einen absolut zylindrischen Schnitt der erodierten Fläche, als auch die exakte rechtwinkelige Ausrichtung der Bohrungsachsen zur Plattenebene zu gewährleisten. Die Fertigung der Abstreif- und Schneidplatte erfolgen gleichzeitig übereinander. Auch hier ist auf eine exakte Winkeligkeit zu achten.
Abbildung 15 zeigt den Vorgang des planparallelen Ausrichtens der übereinander gespannten Abstreif- und Schnittplatte in X-Y Ebene. Dieser Vorgang wird heute in der Regel von einem Messtaster übernommen, nur bei kritischen Bauteilen wird mit einer Messuhr kontrolliert und justiert.
Danach wird ein Kontrollschnitt an einer zugänglichen Werkstückkante durchgeführt. Abbildung 16 zeigt das anschliessende überprüfen der Winkeligkeit und der Zylindrizität. Wichtig ist hier eine ebenfalls genaue Rechtwinkeligkeit der Z-Achse zu der X-Y Ebene der Erodieranlage. Viele Hersteller haben hier Toleranzen von >5pm/100mm welche für diese Überprüfung nicht geeignet wären. Weist das Messergebnis einen zu großen Fehler auf, so muss die Stellung des Drahtes und gegebenenfalls die Bearbeitungstechnologie korrigiert werden und ein weiterer Kontrollschnitt zur Überprüfung durchgeführt werden, solange bis ein zufriedenstellendes Messergebnis vorliegt. Mittels Kontrollschnitt wird die Winkeligkeit überprüft, korrigiert und gegebenenfalls solange wiederholt bis ein zufriedenstellendes Ergebnis vorliegt.
6.4.3 Erodieren der Schnittbuchse
Die Innenbohrung der Schneidbuchse wurde ebenfalls mittels Drahterosion hergestellt. Um die Konzentrizität zwischen Außen- und Innendurchmesser zu gewährleisten wurde hier eine Aufnahme für den Außendurchmesser unmittelbar vor der Bearbeitung erodiert Unmittelbar darauf wird die Schneidbuchse durch Fügen in die Aufnahme eingesetzt und die Innenbohrung mit derselben Lagekorrektur der Aufnahmebohrung erodiert. Dadurch werden Ungenauigkeiten ausgeschalten die durch Austastzyklen der Erodieranlage bestehen. 6.4.4 Schleifen der modifizierten Kegelform Die Modifizierung der Schneidkante, also die Herstellung des Kegels, erfolgte mittels Schleifen. Hierzu wurde die Buchse in einer speziell angefertigten Aufnahme in einer langsam rotierenden Spindel gespannt und um den Kegelwinkel schräg gestellt. Mit einer zweiten Spindel wurde ein diamantbelegter Schleifstift von 00,8mm mit 120.000 U/min angetrieben. Die Zustellung erfolgte mittels einer CNC-gesteuerten Achse. Die Position der Schneidkante wurde dabei optisch mittels Farbe und Antouchieren festgestellt. Dabei ergab sich eine gewisse Toleranzbreite in der Herstellung der Tiefe des Kegels. Abbildung 17 zeigt das Detail der Schneidkante. Die kegelige Modifizierung des Schneidkantenbereichs wird durch Schleifen auf einer Koordinatenschleifmaschine hergestellt. Das Antasten erfolgt optisch mittels Touchierfarbe.
Der Wert B wurde nach der Schleifbearbeitung auf einem Messprojektor ermittelt und daraus der Wert C errechnet. Tabelle 9a zeigt die Dimensionen der für die Versuche hergestellten Schneidbuchsen. Auch in Richtung des äußeren Durchmessers wurden die Buchsen kegelig geschliffen bzw. freigestellt. Dies soll verhindern, dass die Scherfolie beim Lochen mit einem Mittenbohrungsabstand von 0,7mm durch die Lochranderhöhung des benachbarten Loches und durch den Niederhalter verbogen wird.
Tabelle 9a Schnittbuchsen - Abmessungen
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Die Beurteilung der Schneidbuchsen erfolgte auch durch das REM. Abbildung 18 und folgende zeigen Aufnahmen einer Schnittbuchse. Im Werkzeug selbst wurden 5 Positionen zum Lochen wie in Abbildung 20 zu sehen definiert, was den gleichzeitigen Einbau von 5 verschiedenen Lochungseinheiten erlaubt. Durch eine spezielle Gestaltung der Stempelhalteplatte und der Druckplatte können die Stempel separat voneinander für den Arbeitshub betätigt werden. Dies erleichtert den Umgang, da ohne Zerlegen des Werkzeuges 5 Schnitteinheiten verfügbar sind. Im Werkzeug befinden sich 5 Positionen zum Einbau einer Schneideinheit. Durch feststellen eines Stempels in der Stempelhalteplatte wird jeweils eine Position für den Stanzvorgang aktiviert.
6.5 Besonderheiten beim Werkzeugzusammenbau
Bei der Montage des Werkzeuges ist besonders darauf zu achten, dass die Planparallelität über alle Werkzeugebenen gegeben ist. Dabei müssen die Platten entgratet und gereinigt zusammengebaut werden (siehe Abbildung 20). Vor allem beim Einbau und Einstellen der Federn ist darauf zu achten, dass der resultierende Kraftmittelpunkt stets im Werkzeugzentrum liegt. Auch die Anschläge für die Hubbegrenzung des Niederhalters müssen exakt gleich in der Höhe gefertigt sein, da sich sonst Winkelfehler in der Hubrichtung ergeben.
6.6 Versuchsaufbau auf CNC-Maschine
Um das Werkzeug positionsgesteuert einsetzen zu können bedurfte es noch einer Adaptierung. Da die erwarteten Schnittkräfte verhältnismäßig gering sind erfolgte die Implementierung auf einer CNC-gesteuerten (X-Y-Z Achse) Koordinatenschleifmaschine. Dafür wurde noch ein Rahmengestell für das Werkzeug hergestellt, welches an den Flansch der Schleifturbinenaufnahme angeschraubt werden kann. Das Rahmengestell ist ebenfalls Säulengeführt um exakt vertikale Druckkräfte zu erzeugen. In der Unteren Rahmenplatte sind sowohl Gewinde zum Spannen des Werkzeugs gefertigt, als auch eine Tasche gefräst in der sich der Lochabfall sammelt. Im oberen Umkehrpunkt befindet sich die Platte leicht vom X-Y Tisch angehoben. Dadurch kann sich der Tisch mit der gespannten Folie frei bewegen. Nach Positionierung senkt sich das Werkzeug auf den Tisch ab und der Stanzhub kann ausgeführt werden. Sind Werkzeug und Maschine sowie der Hub richtig eingestellt, kann durch NC-Programmierung ein beliebiges Lochmuster erzeugt werden. Das Werkzeug wurde auf einer CNC-gesteuerten Koordinatenschleifmaschine implementiert. Durch Programmierung können beliebige Lochmuster hergestellt werden.
6.7 Implementierung einer Kraft-Weg-Messung Für die Kraft-Weg Messungen wurde das Werkzeug nochmals geringfügig adaptiert. Dabei wurde die Druckstange durch einen Kraftaufnehmer ausgetauscht und auf der Seite des Werkzeugs ein Wegaufnehmer angebracht der den Stempelhub misst. Die Sensordaten werden von einem kalibrierten Messverstärker umgewandelt zu einem PC mit einer A/D-Wandlerkarte übertragen und aufgezeichnet. Die Auswertung der Messergebnisse erfolgte anschließend mit Excel. Durch Kraft- bzw. Wegaufnehmer können über Messverstärker und A D-Wandlerkarte Messungen über den Kraft-Weg Verlauf auf dem PC aufgezeichnet werden.
7 Versuchsdurchführung 7.1 Versuchskonzept
Nach ersten Stanzversuchen wurde ein Testverfahren festgelegt um einerseits die Kennwerte beim Stanzen eines einzelnen Loches zu ermitteln und andererseits die Qualität eines Lochrasters ähnlich der auf einer Scherfolie zu begutachten. Während der Versuchsdurchführung wurden die Daten Kraft- und Wegaufnehmer aufgezeichnet. Abbil- dung 24 zeigt den gelochten Raster. Dabei wurden im wesentlichen 3 Versuche mit einer Schneideinheit durchgeführt.
Im ersten Versuch wurde der Hub mit geringem Vorschub
Figure imgf000028_0001
gefahren. Das ermöglichte eine exakte und schwingungsfreie Kraft-Wegmessung. Die Messungen wurden wegen der Reproduzierbarkeit und eventueller Fehler mehrmals wiederholt. Im zweiten Versuch wurde der gleiche Raster, aber mit maximalen Vorschub
Figure imgf000028_0002
der CNC-Achse gelocht. Bei dieser Geschwindigkeit sind bereits Schwingungen am Kraft-Weg-Verlauf sichtbar. Im dritten Versuchsschritt wurde ein dem Scherblatt ähnlicher Raster gelocht um eine qualitative Aussage über die Umsetzbarkeit kleiner Lochabstände zu bekommen. Als Output der Versuchsreihe wurden zum einen Aussagen über die Kräfteverhältnisse beim Stanzen gefordert, zum anderen aber auch eine Beurteilung der erzeugten Lochgeometrie mittels mechanischer und optischer Vermessung, sowie weitere mikroskopische Analysen durchgeführt. Dafür wurden u.a. eingebettete Querschliffe aus dem Probenmaterial gemacht und kleine Stücke aus dem Proben material für die Rasterelektro- nenmikroskopie präpariert.
7.2 Kraft - Weg Versuche Bei der Durchführung der Kraft-Weg Messungen sind vor allem folgende Aussagen von Interesse:
• Maximale Schneidkraft
• Änderung der Schneidkraft durch modifizierte Matrizengeometrie
· Abstreifkraft und deren Zusammenhang mit den Kegelwinkeln
7.2.1 Vorgehensweise
Da durch die Kraftmessung sämtliche Federkräfte mit erfasst werden, muss man auf die tatsächlichen Stempelkräfte zurückrechnen. Dazu ermittelt man die Werkzeugkräfte bestehend aus Reibungs- und Federkräften mit mehreren Hüben ohne Folie. Dabei kann man deutlich eine Hysterese zwischen den beiden Hubrichtungen erkennen. Danach werden mehrere Hübe mit Stahlfolie durchgeführt. Ein Beispiel einer solchen Messung ist in Abbildung 25 dargestellt. Um nun die reinen auf den Stempel wirkenden Kräfte zu erhalten, müssen die beiden Messungen voneinander subtrahiert werden. Abbildung 26 zeigt das Ergebnis nach Subtraktion der beiden Kurven voneinander. Nun kann der Kraft- Weg Verlauf dargestellt und die maximale Schneidkraft bzw. die Abstreifkraft ermittelt werden. Wichtig zu bemerken ist, dass der Nullpunkt der Wegachse nicht wie in der Literatur oft dargestellt, die Stellung des Stempels direkt über dem Blechstreifen, sondern den oberen Totpunkt des Werkzeugs darstellt. Der gesamte Hub beträgt im vorliegenden Beispiel 1 ,1mm, die Folie berührt der Stempel bei ca. 0,45mm. 7.2.2 Versuchsparameter
Die Parameter der Versuchsreihe können in feste und variable Parameter unterteilt werden.
Als feste Parameter wurden festgelegt:
• Stahlfolie (alle Versuche wurden mit derselben Folie durchgeführt - 1.4310; Zug- festigkeit laut Hersteller Rm=1600N/mm2
• Schnittspalt: 0,002mm/Seite
Als variable Parameter wurden festgelegt:
• Lochdurchmesser: 0,26; 0,43; 0,53mm • Lochrandgeometrie - Kegelwinkel α (s. Abbildung 17): 0°; 20°; 25°; 30°
• Hubgeschwindigkeit:
Figure imgf000030_0001
400mm/min
• Stempelform an der Schneidkante: gerade; kegelig 170°
Bei der Lochrandgeometrie ist noch zu bemerken, dass sie nur mit 00,53mm vollständig und 00,43mm teilweise getestet wurde. Bei 00,26mm wurden nur Versuche mit einer Standardbuchse durchgeführt.
Als auswertbare Messdaten wurden folgende festgelegt:
• Maximale Schneidkraft FSmax
• Maximale Abstreifkraft FRmax
• Die Lochrandhöhe bzw. die Rückfederung (mechanisch gemessen)
• Der max. Schnittgrat bei 0° Kegelwinkel (mechanisch gemessen)
7.2.3 Ergebnisse
Die Ergebnisse stützen sich auf eine durchgeführte Versuchsreihe, bei welcher mit einer Schneideinheit mehrere Lochungen (5-9 mal) wiederholt wurden um eventuelle Streuungen zu ermitteln und die Messergebnisse miteinander zu vergleichen. Zwischen den Versuchen wurde das Werkzeug zwecks Aus- und Einbau der Schnittkomponenten mehrmals auseinander und wieder zusammengebaut. Für jede Schnitteinheit wurde zudem wie oben dargestellt die reinen Werkzeugkräfte (Reibungs- und Federkräfte) ermittelt um die Messergebnisse möglichst exakt zu ermitteln. .Die im folgenden dargestellten Messergebnisse sollen Tendenzen und Größenordnungen aufzeigen die beim Stanzen von Löchern in diesen Größendimensionen auftreten.
7.2.3.1 Bohrung 00,26
Die Messergebnisse für den kleinsten Durchmesser sind in Tabelle 10a dargestellt. Ein signifikanter Unterschied stellt die Abstreifkraft zwischen kegeliger und gerader Stempelgeometrie dar. Jedoch muss beachtet werden, dass diese unterschiedlichen Abstreifkräfte auch ander Ursachen als nur die Stempelgeometrie haben können. Tabelle 10a Messergebnisse für 00,26mm
Figure imgf000031_0001
7.2.3.2 Bohrung 00,43
Tabelle 11a zeigt die Messergebnisse für 00,43mm. Hier sind die Unterschiede in den maximalen Abstreifkräfte gering, diese betragen zwischen 4-7% der Schnittkraft. Bei der Matrize mit Lochranderhöhung scheint die maximale Schnittkraft durchschnittlich geringer zu sein als bei der normalen Matrize.
Tabelle 11a Messergebnisse für 00,43mm
Figure imgf000031_0002
* bei der Ermittlung der Lochrandhöhe wurde nach Messung die hschnittliche Grathöhe abgezogen. 7.2.3.3 Bohrung 00,53
Die Ergebnisse bei 00,53mm ergeben ein ähnliches Bild wie bei 00,43mm. Die Abstreifkräfte liegen zwischen 6%-11% der Schnittkraft. Eine klarer Zusammenhang zwischen Matrizen- bzw. Stempelgeometrie lassen und daraus resultierender Abstreifkraft ist nicht erkennbar. Jedoch sind die maximalen Schnittkräfte bei geradem Stempelkopf wieder durchschnittlich geringer als mit kegeligem Kopf. Die Ergebnisse sind in Tabelle 12a dargestellt.
Tabelle 12a Messergebnisse für 00,53mm
Figure imgf000033_0001
* bei der Ermittlung der Lochrandhöhe wurde nach Messung die durchschnittliche Grathöhe abgezogen. .4 Erkenntnisse und Gegenüberstellungen Aus den Kraft-Weg Messungen der unterschiedlichen Lochdurchmesser und Geometrien ergeben sich folgende Erkenntnisse.
7.2.4.1 Schneidwiderstand ks
Der Schneidwiderstand ks wird beim Lochen dieser Dimensionen, Folienstärke und - material noch nicht von der Größe des Durchmessers beeinflusst. Abbildung 27 zeigt die Schnittkraft in Abhängigkeit des Lochdurchmessers. Die Kraft ist hier nur eine Funktion der Schnittlänge ls während s als konstant und ks als nahezu konstant für alle Lochungen angesehen werden kann.
7.2.4.2 Stempelform Bei Gestaltung der Stempelgeometrie wurden zwei Varianten getestet, eine gerade Schneidkante und eine 170° kegelig abgesetzte Schneidkante. Letztere soll vor allem beim Stanzen in der Serie das hochreißen der Lochabfälle verhindern. Allerdings treten aufgrund dieser Gestaltung erhöhte horizontale Schneidkräfte auf .welche die Reibkräfte erhöhen. Vor allem die Paarung kegeliger Stempel und kegelige Matrize ergeben durch- schnittlich um ca. 10% höhere Schnittkräfte als mit geradem Stempel und kegeliger Matrize. Abbildung 28 zeigt diese Tendenz.
7.2.4.3 Abstreifkräfte
Über die Abstreifkräfte lassen sich keine Tendenzen ableiten. Die durchschnittlichen maximalen Abstreifkräfte betragen bei 00,26mm - 7,72%, bei 00,43 - 5,28% und bei 00,53 - 8,32%. Über alle Versuche gemittelt beträgt die Abstreifkraft 7,10% der maximalen Schnittkraft. Die Befürchtung, dass sich durch die Modifizierung der Matrizengeometrie die Abstreifkräfte signifikant erhöhen hat sich nicht bestätigt.
7.2.4.4 Schnittgrat und Auffedern
Der Schnittgrat beträgt bei den durchgeführten Versuchen 2μηι - 8pm, was etwa 5%- 20% der Folienstärke entspricht. Wie spätere REM Aufnahmen zeigen ist dieser nicht über den gesamten Lochumfang gleich hoch. Was die durch Zug-Druck-Umformung hergestellte Lochranderhöhung betrifft kann festgehalten werden, dass mit Zunahme des Kegelwinkels der Matrizenschneidkante auch die prozentuale Rückfederung zunimmt. Für erste Versuche hat sich der Kegelwinkel von 20° als ausreichend heraus gestellt. Zudem konnte beobachtet werden, dass bei kegeliger Stempelgeometrie die Rückfederung geringfügig kleiner war als bei geradem Stempel.
7.2.4.5 Mehrarbeit durch Umformung
Die durch die Umformung logischerweise entstehende Mehrarbeit kann auch durch die durchgeführten Messungen bestätigt werden. Abbildung 29 zeigt zwei überlagerte Messkurven, Stanzen mit und ohne Lochranderhöhung. Der schraffierte Bereich stellt die Mehrarbeit des Umformprozesses dar.
7.3 Beurteilung der gelochten Teile
Neben der quantitativen Erfassung des Prozesses und der gelochten Folien erfolgte auch eine qualitative Beurteilung durch verschiedene Verfahren. So wurden lichtmikroskopische Aufnahmen (LMA) der Folie, eingebettete Querschliffe und Aufnahmen mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) gemacht.
7.3.1 Teile ohne Lochranderhöhung
Gelochte Teile ohne Erhöhung haben auf der Scherfolie zum einen nur optische Funktionen, bzw. die Aufgabe keine Haare durchzulassen, zum anderen aber auch die Aufgabe die Biegeeigenschaften der Folie möglichst homogen zu gestalten - die Folie sollte möglichst spaltfrei und mit gleicher Anpresskraft über das Schermesser gespannt sein. Abbildung 30 zeigt einen Lochraster, Mittenabstand 0,7mm, Lochdurchmesser 00,26mm auf der Oberseite der Folie.
Die Auflichtmikroskopie eignet sich hervorragend zur Beurteilung und Vermessung des Rasters ist aber nur bedingt einsetzbar um Bilder mit Tiefenschärfe zu erzeugen. Aufnahmen mit dem REM eignen sich dafür aber sehr gut. Abbildung 31 zeigt die Unterseite eines gelochten Rasters mit 00,53mm.
Hier sieht man bereits deutlich eine Eigenschaft der Stanzautomation. Die Schnittflächen sind von Bohrung zu Bohrung identisch, wie auch der erhöhte Grat in Abbildung 32 welcher vermutlich von einem Fehler in der Matrize stammt. Abbildung 33 zeigt eine Detailaufnahme der duktilen Bruchfläche bzw. Grat auf der Unterseite. Auch in den Querschliffen lassen sich zum Teil der Verlauf der Lochleibung feststellen. So sieht man in Abbildung 34 und Abbildung 35 den Bereich des Einzuges, der Glattschnittzone und der Bruchzone. Zudem ist teilweise auch eine Zipfelbildung erkennbar, welch durch weitere Aufnahmen noch besser zu sehen ist.
Zu den ohne Erhöhung gelochten Folien wurde festgestellt, dass die Qualität für deren Funktion ausreichend ist, jedoch eine solche Lochgeometrie, für die Scherfunktion bei Rasierapparaten nicht ausreichend sein wird. Des weiteren ist bei den Schneidelementen wie Stempel und Matrize auf eine exakte Geometrie zu achten, da sonst wie oben dargestellt, an Teilstellen erhöhte Schnittgrate oder sonstige Störungen entstehen können.
7.3.2 Teile mit Lochranderhöhung
Die mit Lochranderhöhung gestanzten Bohrungen haben bei der Scherfunktion eine wichtige Aufgabe. Deswegen gelten für diese strenge Qualitätskriterien, sowohl hinsichtlich der Erhöhung, als auch hinsichtlich der Lochleibungsfläche. Abbildung 36 zeigt eine Aufnahme von der Unterseite. Die Erhöhung ist exakt konzentrisch zum Lochmittelpunkt.
Hautseitig ist eine verrunden der Lochkante notwendig um die Verletzungsgefahr zu vermeiden. Abbildung 37 zeigt eine REM Aufnahme von der Oberseite, Abbildung 38 von der Unterseite. Die darauf folgenden Abbildungen zeigen weitere Aufnahmen von der Lochleibung mit Glattschnittzone, Zipfelbildung und Bruchzone in Übersicht und Detail.
Einen Aufschluss über die Loc randgeometrie geben zudem angefertigte Querschliffe. Die Aufnahmen zeigen besonders das Detail der Lochranderhöhung im Profil. Abbildung 44 und Abbildung 45 zeigen ein repräsentatives Beispiel eines Lochquerschnitt, gestanzt mit einer modifizierten Matrize (00,53; Kegelwinkel a=20°). Die mechanisch gemessene Erhöhung (s. Tabelle 12a) deckt sich etwa mit der optischen Vermessung.
7.4 Herstellung und Beurteilung der Prototypen
Abschließend wurden noch Versuche zur Herstellung eines Prototypen durchgeführt. Als Vorlage dafür diente eine gegenwärtig aus Nickel hergestellte Scherfolie. Ziel dieses Versuches ist den Prototypen hinsichtlich seiner Eigenschaften, bzw. seinem Erscheinungsbild zu beurteilen. Weiters galt es abzuklären welches Verhalten das Verfahren bei relativ„großflächigen" Lochrastem zeigt. Einen erarbeiteten Punkt der Risikoanalyse der das Verwerfen der Folie bei solch großflächigen Lochrastern betrifft galt es ebenso zu überprüfen.
Da es für einen ersten Prototypen zu aufwendig erschien das gesamte Spektrum an Lochdurchmessern (5 verschiedene 0 bei Nickelfolie) für diesen zu realisieren, reduzierte man sich auf 3 Schnitteinheiten (00,53, 00,43; 00,26mm) beim Stanzen.
Zunächst wurde ein Prototyp ohne Lochranderhöhung hergestellt (siehe Abbildung 46). Das Ergebnis dieses Versuches ist sehr zufrieden stellend was die Ebenheit der Folie nach dem Lochvorgang betrifft. Sowohl Lochabstände sowie Lochdurchmesser ergeben ein homogenes Bild dieses Versuches. Solch eine Folie ist jedoch für den Gebrauch nicht geeignet.
In einem zweiten Schritt wurde ein Prototyp mit Lochranderhöhung gefertigt. Dabei wurde die Erhöhung nur im Bereich der Scherzone gefertigt, die umliegende Zone jedoch ohne Erhöhung gelocht. Abbildung 47 und Abbildung 48 zeigen Aufnahmen dieser Scherfolien.
Beim betrachten dieser Aufnahmen fällt sofort auf, dass die Folie in der Zone mit ge- stanzter Lochranderhöhung Verwerfungen auftreten. Diese werden durch die Restbiegespannungen der Lochrand - Umformung verursacht. Zudem dürfte es durch die Umformung zu einem plastischen Fließen des Restmaterials, d. h. den Stegen zwischen den Bohrungen kommen. Dies bewirkt das die Folie in diesem Bereich wie ein Membran gewölbt ist. Die Wölbung wurde mittels einem IFM ermittelt und ist in Abbildung 49 dar- gestellt. Die Wölbung ist in beiden Achsen des Lochrasters der Folie ausgebildet. Sie beträgt wenn man die Folie auf den Seiten niederspannt und hier den Wert Ursprung für die Höhenmessung definiert in der Mitte der Folie gemessen ca. 0,6mm. Diese Abweichung hat natürlich auch Konsequenzen für die Funktion der Scherfolie. Beim Einbau in einen Rasierapparat zeigt sich nach Krümmung der Folie über das Schermesser auch eine konkave Krümmung in Richtung der oszillierenden Richtung des Schermessers. Das heißt, das zwar im Randbereich die Folie auf dem Schermesser aufliegt, aber in der Mitte ein Luftspalt zwischen Folie und Messer herrscht.
7.5 Fazit aus der Versuchsdurchführung
Abschließend kann zu den Ergebnissen der durchgeführten Versuche gesagt werden, dass das Verfahren sich prinzipiell zur Lochung von Scherfolien eignet. Die Lochranderhöhung ist gleichmäßig und vor allem von Bohrung zu Bohrung gleich, da sie mit ein und denselben Schnittelementen gefertigt wurden. Diese Tatsache ist ein starkes Argument für dieses Fertigungsverfahren auch hinsichtlich einer möglichen Weiterentwicklung in Richtung Serienproduktion. Bezüglich der durchgeführten Risikoanalyse (siehe S. 77) kann gesagt werden, dass die Risiken Nr. 3-5 (Schneidflächeneigenschaften, Abstreif- kräfte und Rückfederung) beherrschbar sind.
Bei der Herstellung des Prototypen hat sich aber gezeigt, dass es bei relativ großflächigen Loch rastern mit Loch randerhöh ung zu Verwerfungen bzw. einer Wölbung der Scherfolie kommt Dieses Verhalten ist auch bereits bei der Risikoanalyse (Risiko Nr. 1) erwartet worden. Diese sind für ein Funktionieren der Scherfunktion zu groß, da ein Luftspalt zwischen Schermesser und Scherblatt entsteht. Hier müssen also Maßnahmen angedacht werden um diese Wölbungen zu egalisieren, bzw. das Schermesser dieser Wölbung entsprechend anzupassen. Ob die Lochranderhöhung in sich präzise genug ist und kein weiterer Fertigungsvorgang zum egalisieren wie z. B. Schleifen notwendig ist, lässt sich gegenwärtig noch nicht sagen. Dies muss durch weitere Versuche festgestellt werden.
8 Rückblick und Ausblick
In dieser Arbeit sind viele Ergebnisse und Aussagen über das Stanzen von Scherfolien für elektrische Rasierapparate erarbeitet worden, welche im folgenden noch einmal kurz auf den Punkt gebracht werden:
• Die Substituierung des Werkstoffes Nickel in Stahl bedeutet eine Verbesserung bezüglich der Hautverträglichkeit. Auch sind bei Testverfahren mit rostfreien Stahlfolien, wesentlich bessere Ergebnisse bezüglich der Abscheiderate von Nickel zu erwarten.
• Das Stanzen von Löchern in dieser Anzahl und Dimension ist möglich und der Prozess ist beherrschbar. Allerdings sind dafür Fertigungsprozesse in höchster Genauigkeit notwendig.
• Das gewöhnliche Lochen von Scherblättern ohne Lochranderhöhung reicht für die Scherfunktion des Rasierapparates nicht aus.
• Durch geometrische Modifizierung der Matrize (kegelig gefertigte Schneidkante) kann die Lochranderhöhung durch Tiefziehen und Stanzen in einem Hub gefertigt werden. Hierbei handelt es sich um die eigentliche Innovation dieser Arbeit. • Bei der Stanzautomation, also das Lochen des gesamten Rasters mit einem
Stempel und Matrize pro Bohrungsdimension, lassen sich gleichmäßige und exakt identische Lochranderhöhungen von Bohrung zu Bohrung herstellen.
• Durch das Stanzen mit Lochranderhöhungen kommt es aufgrund von Restbiegespannungen und Fließen des Werkstoffes zu Verwerfungen und Auswölbungen der Scherfolie.
Die erste Fertigung eines Prototypen hat gezeigt, dass die Herstellung auf diesem Wege möglich ist und dass vor allem die so hergestellte Lochranderhöhung im lokalen Bereich der Bohrung ein sehr zufrieden stellendes Ergebnis darstellt. Jedoch werden weitere Prozessschritte zur Kalibrierung der Scherfolie, die für eine richtige Funktionsausübung unbedingt erforderlich sind, notwendig sein. Folgende Probleme gilt es vor einer weiteren Überlegung Richtung Serienfertigung zu lösen:
• Neutralisieren der Restbiegespannung
• Egalisieren der Verwerfungen und Auswölbungen der Scherfolie
Sind auch diese Probleme gelöst so kann man sich weitere Gedanken zur Massenproduktion machen. Jedoch wird es aufgrund der Außergewöhnlichkeit des Herstellprozesses auch hier zur Entwicklung von Sonderlösungen und weiteren Prozessanalysen kommen müssen. So bedarf es einer Lösung der X-Y gesteuerten Folienbewegung mit sehr kurzen Taktzeiten, wobei das Stanzen von ca. 20 Löchern pro Sekunde wünschenswert wäre. Eine weitere Sonderlösung wird wohl auch für den Antrieb der Hubbewegung des Stempels gefordert sein, da eine gewöhnliche Stanzpresse für diesen Fall überdimensioniert wäre. Dazu kommen noch weitere Herausforderungen wie das Handling der Stahlfolie, bis hin zu einer vollautomatischen Montage der Folien in den Scherkopf des Rasierapparates.
Letztlich stehen wir hier am Ende dieser Diplomarbeit am Anfang eines möglichen Produktlebenszyklus, der aus weiteren unzähligen Aufgaben, Entwicklungen und Entscheidungen besteht. Abbildungsverzeichnis
Abbildung 57: Werkzeugaufbau zum Stanzen von Mikrobohrungen 56
Abbildung 58: Stanzpresse für Mikrobohrungen und optischer
Justiereinrichtung (Joo et al. 2005) 56
Abbildung 59: Gestanzte Mikrobohrungen in rostfreien Stahl AISI 316 57
Abbildung 60: Schneidpresse mit integrierter Fertigungseinheit (WEDG u. EDM) für Stempel und Matrize (Chem et al.2006) 58
Abbildung 61 : 00,2mm Bohrung gestanzt in SUS304 rostfreien Stahl 59
Abbildung 62: WEDG Verfahren zur herstellung von nicht kreisförmigen Elektroden (Chern et al. 2007) 59
Abbildung 63: Beispiele für nicht kreisförmige Stempel (Elektroden)durch WEDG hergestellt. (Chern et al. 2006) 60
Abbildung 64: Prototyp einer Hochgeschwindigkeitsschleifspindel zum Schleifen von Mikro-Lochstempeln (Yeo et al. 2002).... .. 60
Abbildung 1: Ansicht Scherblatt im ebenen Zustand .
Abbildung 2. Detail Lochmuster
Abbildung 3: Querschnitt Scherfolie
Abbildung 4: Verschiedene Lochdurchmesser auf einer Folie Abbildung 5: Gliederungskriterien von Funktionen Abbildung 6: Funktionenbaum - Scherfolie Abbildung 7: Nickel Scherfolie - Detail Lochrand Abbildung 8: Stanzvorgang (a) und Schersituation im eingebauten Zustand (b) mit Standard-Matrize
Abbildung 9: Stanzvorgang mit modifizierter Matrize Abbildung 10: Schersituation der. gelochten Folie und Lochranderhöhung mit Abbildung 11 : Gegenüberstellung Stahlfolie - Nickelfolie Abbildung 12: Versuchswerkzeug Abbildung 13: Schnitt durch Werkzeug Abbildung 14: Detail Schnittelemente
Abbildung 15: Planparallele Ausrichtung der Abstreit- undSchnittplatte in der X-Y Ebene auf Erodieranlage
Abbildung 16: Kontrollschnitt zur Überprüfung der Rechtwinkeiigkeitund der Zyiindrizität der erodierten Fläche
Abbildung 17: Detail Schneidkante
Abbildung 18: Schnittbuchse mit modifizierter Schneidkante - Abbildung 19: Schnittbuchse mit modifizierter Schneidkante -Detailansicht
Abbildung 20: Grundplatte und Schnittplatte bei Zusammenbau
Abbildung 21: Grund- und Führungsplatte - Überprüfen der Parallelität
Abbildung 22: Aufbau auf Koordinatenschleifmaschine
Abbildung 23: Versuchsaufbau mit integrierter Kraft-Weg Messung Abbildung 24: Lochraster für Versuchsreihe Abbildung 25: Hub ohne und mit Stahlfolie (Leerhub)
Abbildung 26: Kraft-Weg Verlauf des Stempels nach Subtraktion
Abbildung 27: Schnittkraft in Abhängigkeit des Lochdurchmessers
Abbildung 28: Schnittkraft bei unterschiedlicher Stempelgeometrie
Abbildung 29: Vergleich Kraft-Weg Verlauf mit und ohne Lochranderhöhung
Abbildung 30: LMA - Lochraster 00,26mm - Oberseite
Abbildung 31 : REM - Lochraster 00,53 - Unterseite
Abbildung 32: REM - Detail erhöhter Schnittgrat bei 00,53 - Unterseite
Abbildung 33: REM - Detail Schnittgrat bei 00,53 - Unterseite
Abbildung 34: Querschliff durch Folie - Steg zwischen zwei 00,53
Abbildung 35: Queschliff durch Folie - Detail Lochrand 00,53
Abbildung 36: LMA - Lochraster 00,53 inkl. Lochranderhöhung - Unterseite
Abbildung 37: REM - Lochraster 00,53 - OS - Einzug durch Lochranderh.
Abbildung 38: REM - Bohrung 00,53 mit Lochranderhöhung - Unterseite
Abbildung 39: REM - Detail Lochranderhöhung 00,53 - US
Abbildung 40: REM - Detail Schnittgrat bei Lochranderhöhung 00,53 - US
Abbildung 41 : REM - Lochranderhöhung 00,53 - Unterseite
Abbildung 42: REM - Detail Lochleibung von Unterseite
Abbildung 43: REM - Detail Lochleibung von Oberseite Abbildung 44: Querschliff - 00,53; a=20°; Stempel kegelig 170°
Abbildung 45: Detail Querschliff - Steg zwischen Löchern - 00,53; a=20° Abbildung 46: Gestanzter Prototyp ohne Lochranderhöhung
Abbildung 47: Gestanzter Prototyp mit Lochranderhöhung - Oberseite Abbildung 48: Gestanzter Prototyp mit Lochranderhöhung - Detail Unterseite Abbildung 49: IFM - Wölbung des mit Erhöhung gestanzten Prototypen
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1 : VICKERS-Mikrohärte HV verschiedener Metalle 12
Tabelle 2: Chemische Analyse - EDAX PhiRhoZ Quantification 23
Tabelle 3: Auszug aus Bedarfsgegenständeverordnung 26 Tabelle 4: Richtlinie für Hartmetalleinsatz (Heliwig 2001 , S.211) 45
Tabelle 5: Hartmetalle für Umformwerkzeuge, Verschleissteile,
Funktionsbauteile (Heliwig 2001 , S.212) 45
Tabelle 1a: Funktionenerfüllung bei Nickelfolie 13
Tabelle 2a: Funktionenerfüllung bei einfach gelochter Folie 1 Tabelle 3a: Funktionenerfüllung von gelochter Folie mit modifizierter Schneide
15
Tabelle 4a: Vor- / Nachteile des Gesamtschneidverfahrens 16
Tabelle 5a: Vor- / Nachteile des Folgeschneidverfahrens 17
Tabelle 6a: Vor- / Nachteile der Stanzautomation 18 Tabelle 7a: Risikoanalyse - Stanzautomation Scherfolie 19
Tabelle 8a: Berechnung von Schnitt-, Rückzugskraft und Druck am Stempelkopf
21
Tabelle 9a: Schnittbuchsen - Abmessungen 25
Tabelle 10a: Messergebnisse für 00,26mm 30 Tabelle 11a: Messergebnisse für 00,43mm 30 Tabelle 12a: Messergebnisse für 00,53mm 31
Abkürzungsverzeichnis
PIT GmbH Payer International Technologies GmbH
NAH Nickel Allergie Hypersensitivity
EDM Electro Discharge achining
WEDG Wire Electro Discharge Grinding
LIGA Lithografie, Galvanoformung, Abformung
REM Rasterelektronenmikroskop
IFM Infinite Focus Microscope
FMEA Failure Mode and Effects Analysis LTCC Low Temperature Cofired Ceramic
CFK Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff
LMA Lichtmikroskopische Aufnahme

Claims

Ansprüche
Vorrichtung zum Herstellen einer Scherfolie aus einer korrosionsbeständigen Stahlfolie, umfassend eine Matrize, einen Niederhalter und einen Stempel, von denen die Matrize eine dem Stempel zugewandte Auflagefläche für eine zu lochende korrosionsbeständige Stahlfolie mit einer Aussparung aufweist, wobei im Bereich eines Übergangs von der Auflagefläche zur Aussparung eine Anfasung vorgesehen ist, der Niederhalter zum Niederhalten einer korrosionsbeständigen Stahlfolie auf der Auflagefläche der Matrize ausgebildet ist und der Stempel zum Umformen und Stanzen einer auf der Matrize niedergehaltenen Stahlfolie ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, den Stempel derart zu führen, dass dieser eine niedergehaltene Stahlfolie bei der Aussparung zunächst an die Anfasung zum Erzeugen einer Lochranderhöhung drückt und sodann locht und die korrosionsbeständige Stahlfolie nach einem ersten Stanzvorgang relativ zur Matrize zu verschieben, so dass nach einem erneuten Stanzvorgang eine mehrfach gelochte korrosionsbeständige Stahlfolie als Scherfolie verbleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die Aussparung der Matrize derart ausgestaltet ist, dass die Scherfolie einen positiven Schneidwinkel aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anfasung eine Geometrie einer Kegelmantelfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Anfasung einen Winkel im Bereich von 1 ° bis 40° Grad zur Auflagefläche aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Anfasung einen Winkel zur Auflagefläche aufweist, der mit steigender Entfernung von der Auflagefläche weg zur Aussparung hin zunimmt.
Verfahren zum Herstellen einer Scherfolie aus einer korrosionsbeständigen Stahlfolie, umfassend die Schritte:
Bereitstellen der korrosionsbeständigen Stahlfolie,
Anordnen der korrosionsbeständigen Stahlfolie auf einer einem Stempel zugewandten Auflagefläche einer Matrize, wobei die Matrize eine Aussparung aufweist und im Bereich eines Übergangs von der Auflagefläche zur Aussparung eine Anfasung vorgesehen ist,
Niederhalten der korrosionsbeständigen Stahlfolie auf der Auflagefläche der Matrize und
Umformen und Stanzen der niedergehaltenen Stahlfolie durch
Führen des Stempels derart, dass dieser die niedergehaltene Stahlfolie bei der Aussparung zunächst an die Anfasung zum Erzeugen einer Lochranderhöhung drückt und sodann locht und
Verschieben der korrosionsbeständigen Stahlfolie nach einem ersten Stanzvorgang relativ zur Matrize, so dass nach einem erneuten Stanzvorgang eine mehrfach gelochte korrosionsbeständige Stahlfolie als Scherfolie verbleibt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei die korrosionsbeständige Stahlfolie derart verschoben wird, dass die Löcher der Scherfolie einen Lochmittenabstand im Bereich von 0,5 mm bis 2,5 mm zueinander aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Lochranderhöhung im Bereich von 0,01 mm bis 0,03 mm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, zusätzlich umfassend den Schritt: Nachbearbeiten der Scherfolie durch Abschleifen des Lochrandes eines Lochs an der der Lochranderhöhung zugewandten Seite zum Erzeugen einer Schneidfläche.
10. Scherfolie aus korrosionsbeständigem Stahl für einen Rasierapparat, aufweisend eine Vielzahl Löcher mit jeweiliger Lochranderhöhung, wobei ein jeweiliges der
Vielzahl Löcher mit Lochranderhöhung durch einen einzigen Stanzvorgang erzeugt ist.
1 1. Scherfolie nach Anspruch 10, wobei die Scherfolie hergestellt ist durch
Bereitstellen einer korrosionsbeständigen Stahlfolie, - Anordnen der korrosionsbeständigen Stahlfolie auf einer einem Stempel zugewandten Auflagefläche einer Matrize, wobei die Matrize eine Aussparung aufweist und im Bereich eines Übergangs von der Auflagefläche zur Aussparung eine Anfasung vorgesehen ist,
Niederhalten der korrosionsbeständigen Stahlfolie auf der Auflagefläche der Matrize und
Umformen und Stanzen der niedergehaltenen Stahlfolie durch
Führen des Stempels derart, dass dieser die niedergehaltene Stahlfolie bei der Aussparung zunächst an die Anfasung zum Erzeugen der Lochranderhöhung drückt und sodann locht und - Verschieben der korrosionsbeständigen Stahlfolie nach einem ersten
Stanzvorgang relativ zur Matrize, so dass nach einem erneuten Stanzvorgang eine mehrfach gelochte korrosionsbeständige Stahlfolie als Scherfolie verbleibt.
12. Scherfolie nach Anspruch 10 oder 1 1 , wobei die korrosionsbeständige Stahlfolie weitestgehend nickelfrei ist.
13. Scherfolie nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die korrosionsbeständige Stahlfolie Chromstahl umfasst.
14. Scherfolie nach einem der Ansprüche 10 bis 13, die eine Dicke von 0,02 mm bis 0,05 mm aufweist.
15. Rasierapparat mit einer Scherfolie nach einem der Ansprüche 10 bis 14.
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