WO2018141905A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines dünnwandigen objekts mit dreidimensionaler form - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines dünnwandigen objekts mit dreidimensionaler form Download PDF

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WO2018141905A1
WO2018141905A1 PCT/EP2018/052659 EP2018052659W WO2018141905A1 WO 2018141905 A1 WO2018141905 A1 WO 2018141905A1 EP 2018052659 W EP2018052659 W EP 2018052659W WO 2018141905 A1 WO2018141905 A1 WO 2018141905A1
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WO
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starting substrate
die
pressure
substrate
heating
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PCT/EP2018/052659
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English (en)
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Inventor
Paul-Alexander VOGEL
Holger KREILKAMP
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B23/00—Re-forming shaped glass
    • C03B23/02—Re-forming glass sheets
    • C03B23/023—Re-forming glass sheets by bending
    • C03B23/035—Re-forming glass sheets by bending using a gas cushion or by changing gas pressure, e.g. by applying vacuum or blowing for supporting the glass while bending
    • C03B23/0352—Re-forming glass sheets by bending using a gas cushion or by changing gas pressure, e.g. by applying vacuum or blowing for supporting the glass while bending by suction or blowing out for providing the deformation force to bend the glass sheet

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a thin-walled object having a three-dimensional shape and to a device according to the preamble of claim 12.
  • Thin-walled three-dimensional objects are used in a wide variety of technical fields. Such objects are e.g. to achieve high scratch resistance and durability preferably made of glass and used in a variety of applications, e.g. used as a cover or in a variety of ways in the interior of motor vehicles. Other examples of a fast-growing market are display covers for mobile phones or covers and enclosures for sensory elements.
  • Surfaces of such three-dimensional macro-shape objects may be functionalized by means of microstructuring.
  • Objects with a functionalized surface can e.g. have a special haptic effect and serve as a cover, for example.
  • Functionalized surfaces may also be optically active, e.g. with applications in general optics, e.g. as reflectors or in the
  • Anti-adhesive surfaces e.g. self-cleaning or wetting-poor surfaces, e.g. be significant in the field of medical technology.
  • thin glass in particular thin glass can be used, which is understood here as glass with a maximum thickness of 2 mm.
  • glasses of even smaller thickness e.g. Below 1 mm, preferably below 500 ⁇ or more preferably below 300 ⁇ , represent the future with a particularly interesting scope of the invention.
  • the material glass offers due to its scratch resistance, haptics, and
  • the invention shown here also includes basically thin-walled objects made of plastic or other materials.
  • the laser structuring can only be used for special, often not relevant materials.
  • the laser structuring can only be used for special, often not relevant materials.
  • JP 2007131499 A discloses to give a flat glass article a macro-form, for which a glass starting substrate is placed on a thermoforming die, which has one or more die cavities forming recesses each having a suction opening. A vacuum is generated via the suction opening, with which the heated and therefore softened glass starting substrate is drawn into the mold. At the edge of the mold, the glass material is fixed. JP 2007131499 A has as constant a thickness as possible of the glass product after forming. To one
  • the generation of the vacuum is temporarily interrupted by means of a switching valve. All suction openings are via a collection room with the same
  • JP 2000256023 A a device and a method of the type mentioned are known in which softened glass by vacuum a Thermoforming process is subjected.
  • One of the embodiments has a plurality of suction openings on a die cavity for generating the negative pressure.
  • Forming tool whose surface is formed according to the negative of the microstructure to be formed, formed in the substrate, the microstructure by pressing.
  • the forming tool has a base material with an open pore structure, by which a negative pressure is generated, with which the substrate is pressed onto the surface of the forming tool.
  • the demolding takes place with overpressure, also through the pore structure.
  • the disclosed method as well as the forming tool serve solely to introduce a microstructure.
  • EP 1852239 B1 discloses first of all to produce a microstructure on the surface of a starting substrate made of plastic film, and then the
  • thermoforming process three-dimensionally.
  • suction openings for the die cavity, over which a vacuum can be created.
  • the openings may also be used as exchange openings for the escape of a fluid, e.g. Air, serve for the case that from the side facing away from the female cavity side of the starting substrate, an overpressure is built up.
  • a fluid e.g. Air
  • a central suction opening branches in the process towards the female cavity into several individual openings.
  • a method for the production of three-dimensional microstructures in which a substantially flat material to be formed is inserted and heated between two molds. A pressure gradient forces the material towards a bottom of one of the molds.
  • the same shape may have a plurality of die cavities, each die cavity a separate exchange opening for the exchange of an active medium, eg air, has.
  • different die cavities can be provided with different pressures, so that the material to be formed deforms to different degrees in the different die cavities.
  • DE 10 2010 020 439 A1 discloses methods for producing shaped glass articles of defined geometry.
  • a glass sheet is placed on a mold and heated in a heating unit. The deformation then takes place by means of external
  • glass does not heat homogeneously but preferably in those areas in which a transformation is to be made. This can be influenced by a defined temperature distribution, the later shape of the glass article.
  • a desired temperature-time profile is preferably set on the glass pane by means of a laser beam.
  • Temperature distribution on the starting glass is chosen so that the viscosity at the points is reduced to the extent necessary to which a deformation is desired.
  • Device different forming processes can be performed by different temperature distributions. It is an object of the invention to provide an alternative method and an alternative device of the type mentioned above to form a thin-walled object three-dimensionally.
  • claim 1 is proposed for the first time that two or at least two of the exchange holes ending in the same die cavity for
  • Influencing the pressure or the pressure distribution are controlled separately.
  • the inventive method is carried out so that the pressure or the pressure distribution of the fluid active medium in the die cavity is influenced by at least two exchange openings.
  • the fluid active medium may be a gas, e.g. Act air.
  • the fluid active medium is not (anymore) sucked out of one of the replacement openings or of a part number of the replacement openings at a certain point in time, while the remaining ones are being sucked off
  • Suction openings is sucked. It can also be provided from
  • microstructures influenced or generated by fluid flows may be predetermined in shape, e.g. by wall structures introduced into the wall of the associated female cavity, e.g. the fluid flow affecting channels.
  • each of the further cavities which are not already provided with at least two replacement openings is provided with at least one replacement opening. If a starting substrate to be deformed now covers a plurality of die cavities, the
  • Deep drawing process to be limited to individual matrix cavities.
  • the operated matrix cavities it is possible to produce different three-dimensional macro forms with a thermoforming die having a plurality of die cavities.
  • a pulsating exchange of the active medium may be useful. This means that the pressure fluctuates in time between a higher and a lower pressure limit.
  • the higher pressure limit may e.g. correspond to the ambient pressure or be lower or higher.
  • the higher pressure limit and / or the lower pressure limit may also vary over time, e.g. steadily decrease as the current pressure oscillates between these pressure limits.
  • the commuting can be continuous, e.g. by a sinusoidal course in time, or even abrupt
  • Pressure changes e.g. to ambient pressure.
  • the pulsed exchange of the active medium can lead to successive deformation steps and to a more targeted deformation of the starting substrate, e.g. by restraining in marginal areas is suppressed by returning the pressure in Matrizen cavity to ambient pressure until this edge region has applied to the adjacent wall and is stable, then lowering the pressure again and another
  • an overpressure acting externally on the starting substrate is used by means of the same or another active medium in order to influence the pressure or the pressure distribution in the at least one die cavity.
  • variable process parameters are those which influence the pressure or the pressure distribution in the at least one die cavity. Different shapes with the same thermoforming die are obtained when the starting substrate penetrates different distances into the die cavity or die cavities. That is, depending on the desired macro-shape of the object, the deep-drawing process ends before the starting substrate has completely nestled against all the walls of the die cavity.
  • the pressure related process parameters can be determined or at least influenced as the thermoforming process progresses and when it ends in which areas of the Matrizen- cavity.
  • the inventive method can also be carried out so that the
  • Drawing die during the deep drawing process has a lower temperature than the starting substrate. This can be a sticking of the substrate material to the
  • Pulling dies are prevented or at least reduced.
  • the inventive method can also be carried out so that the
  • the starting substrate is softened by heating to such an extent that a contact area between the starting substrate and the drawing die resulting from a sinking of the starting substrate is sealing against the active medium at least in a partial region.
  • the heating may, for. B. before applying a vacuum or a
  • the surface structuring of the at least one inner wall of the draw die is preferably the negative of the desired microstructure for the investment
  • the surface structuring of the drawing die can also be achieved by at least one object placed in the drawing die, for example a film or a stamped or preferably lasered perforated sheet.
  • the Microstructure can be additionally influenced by the flow of the active medium, as already shown above.
  • the inventive method can also be carried out so that at least a portion of the desired microstructures is introduced only after the deep-drawing process, z. B. by means of a stamp.
  • Fabrication of the microstructure before or after the deep drawing process or during the deep drawing process can also be combined on the same starting substrate.
  • the method according to the invention can be carried out such that the at least one or at least one of the process parameters additionally has a
  • Temperature distribution in the starting substrate influenced.
  • this may be one which is not simultaneously provided for controlling the pressure in a die cavity.
  • different temperature distributions e.g. in the to
  • Thickness direction vertical surface of the starting substrate are given up for the thermoforming process.
  • the temperature distribution in the starting substrate influences the way in which the starting substrate flows into the drawing die, so that, for example, B. can be achieved that areas of the Ziehmatrizen surface are not reached by the substrate or that the finished molded substrate has different thicknesses in different areas. For example, can the areas of the
  • Temperature gradients can also be combined with those described above Control of the suction or the supply of the fluid active medium through the
  • the inventive method is particularly suitable for a
  • Starting substrate made of glass, in particular of thin glass with a thickness of at most 2 mm, preferably below 1 mm, more preferably below 500 ⁇ and further preferably below 300 ⁇ .
  • the method according to the invention and the device according to the invention offer interesting possibilities, in particular with regard to the ability to influence the microstructure and / or the macro-shape by means of separate control of different exchange openings or the setting of specific temperature distributions in the starting substrate.
  • an adaptive production in particular a networked adaptive production, can be advantageously used.
  • FIG. 1 generally a deep drawing device with heating variants
  • FIG. 2 a thermoforming die with suction channels
  • thermoforming die with suction channels with microbores
  • thermoforming die with connected overpressure chamber thermoforming die with connected overpressure chamber
  • FIG. 5 shows a detail of the inside of a thermoforming die with a negative of a desired microstructuring
  • FIG. 6 shows a deep-drawing die with glass substrate, which has already been microstructured before deep-drawing
  • thermoforming die 9 shows a continuous furnace with thermoforming die.
  • FIG. 1 shows schematically in cross-section a deep-drawing device with a drawing die 1, a heating block 2 surrounding the drawing die 1 for heating the drawing die 1.
  • the heating block 2 may, for. B. electrically, for example, with cartridges 3 or
  • Heating coils 4 to be heated.
  • Studpatrone 3 and 4 heating coil are only symbolically drawn here and can be distributed in any suitable manner in the heating block 2. This alone heating cartridges 3 or alone heating coils 4 or both measures can be used. Also possible, as an alternative or in addition, are other heating options for the drawing die 1 which are not mentioned here.
  • a starting substrate 5 preferably made of glass, which thus limits a Matrizen-cavity 8 on one side.
  • the starting substrate 5 can be heated separately by a heating unit 6.
  • the heating unit 6 may belong to the pulling device composed of pulling die 1 and heating block 2.
  • the heating unit 6 can also be part of a
  • the heating unit 6 can also be used as part of a furnace exemplified in FIG. 9, in particular a continuous furnace, or in addition to an oven heating device of such a (continuous) furnace become. With a continuous furnace or continuous furnace, a significant increase in cost-effectiveness could be achieved.
  • thermoforming processes such as in an oven, e.g. a continuous furnace can be realized, have the
  • Drawing die 1 and the substrate 5 at substantially the same temperature.
  • the heating process may be easier to control in an isothermal process, however, it may come to the baking of the starting substrate 5 on the drawing die 1.
  • the temperature of the starting substrate 5 may be made different than that of the drawing die 1. So z. B. the temperature of the starting substrate 5 are set higher compared to the temperature of the drawing die 1, which may be advantageous in particular in the case of starting substrates 5 made of glass.
  • Non-isothermal deep drawing processes also allow the already described above set up desired temperature distributions in the
  • Starting substrate 5 set higher where the degree of deformation is higher, z.
  • Non-isothermal draw processes may also be used in an oven, e.g. a continuous oven, e.g. by - as mentioned in the previous paragraph - separate
  • Heating means are used.
  • the drawing die 1 has several
  • Starting substrate 5 and thermoforming die 1 are possible, but not shown here.
  • sealing measures are conceivable z. B. a temperature-resistant rotating Sealing ring between deep-drawing die 1 and the starting substrate 5 or a sealing substrate surrounding the starting substrate 5 and placed on the deep-drawing die 1.
  • the heating unit 6 see FIG. 1
  • the starting substrate softens and thus makes intimate contact with the thermoforming die 1 in that the contact surface is sealing.
  • Fig. 3 shows schematically a thermoforming die 1 with three exchange channels 7, each with a separate negative pressure generator 10, z. B. a pump or a
  • Vacuum ejector are connected.
  • the vacuum generator 10 are each separately controllable, so that the suction through the exchange channels 7 therethrough
  • thermoforming apparatus may also be arranged so that at least one of the replacement channels 7 is not subject to a mere negative pressure generator 10, but to a device which can also introduce a gas if required, e.g. to cause certain gas flows and / or to generate an overpressure.
  • each exchange channel 7 can be equipped with a shut-off valve or a controllable valve for throttling the suction power or the blowing power (in the case of overpressure).
  • the influencing of the result of the deep-drawing process by means of controllable or controllable pressure distributions in the exchange channels 7 can be assisted by the provision of targeted temperature distributions on the starting substrate 5, which is to be given a macro-form in the thermoforming die 1.
  • thermoforming process e.g. B. temporal and spatial
  • Vacuum generator 10 or overpressure generator can be provided.
  • the temperature distribution to be selected for the starting substrate 5 depends on the material of the starting substrate 5 and the associated viscosity curve as well as on the
  • Starting substrate 5 flows faster into the underlying die cavity 8 than a second region, the temperature distribution is to be chosen so that in the first region is given a lower viscosity than in the second region.
  • the exchange channels 7 do not extend in their original shape to the inner surface of the thermoforming die 1, but each branched into a plurality of microchannels 1 1, so that the negative pressure / overpressure generation more uniform or in the specific desired distribution on the inner surface of the
  • Thermoforming die 1 is distributed.
  • the distribution of the exchange channels 7 in micro-channels 1 1 is not mandatory, but can be used in all embodiments shown here and other variants.
  • Fig. 4 shows a thermoforming die 1 with exchange channels 7 and resting
  • Overpressure chamber 12 is provided, which via a feed channel 13 with a
  • Working medium can be supplied to generate the overpressure.
  • the active medium is a fluid, preferably a gas, such as. For example, air.
  • the pressure chamber can with a window 14, z. B. be provided of quartz glass. Through the window 14 through the starting substrate 5 can be heated, for. B. by laser radiation.
  • the window 14 can also serve for visual inspection, which in particular allows a measurement of the temperature distribution achieved at the starting substrate 5.
  • Fig. 5 shows a detail of the drawing die 1 with an inner wall 15 and a bottom 16 to which the starting substrate 5 to be formed is to create.
  • a fine structuring is symbolically represented, which is a negative of a microstructure, which is to be introduced into the surface of the starting substrate 5 during the deep drawing process. In this case will be
  • FIG. 6 illustrates an alternative method to FIG. 5, in which the starting substrate 5 has already been given a microstructure, which is indicated only symbolically on the structured surface 17 in FIG. 6, before the deep-drawing process.
  • the structured surface 17 of the starting substrate 5 faces away from the inner wall 15 and the bottom 16 of the thermoforming die 1.
  • FIG. 7 shows a possible result of a deep-drawing process shown in FIG. 5, namely a finished object 20 with the macro-shape produced by the deep-drawing process and the microstructuring.
  • Fig. 8 shows a further alternative for introducing the microstructuring.
  • the starting substrate 5 was first given a macro-form by means of the thermoforming die 1.
  • the microstructure is embossed on the deformed starting substrate 5 by means of a stamp 18 structured on its stamp side 19.
  • an overpressure can be generated in order to remove the starting substrate 5 from the thermoforming die 1 after the thermoforming process.
  • Fig. 9 shows schematically a continuous furnace 21, in which a plurality of pulling dies 22 are arranged on a driven treadmill 22, one of which is shown enlarged. Via an input side 23, which is secured in a manner not shown here against excessive heat losses, the drawing dies 1 are introduced together with a starting substrate 5 in the continuous furnace 21.
  • the interior of the drawing dies 1 are introduced together with a starting substrate 5 in the continuous furnace 21.
  • Continuous furnace 21 is heated as homogeneously as possible by means of a heater 24 shown here only symbolically, so that in the area of the drawing dies 1 largely isothermal conditions prevail.
  • the draw die 1 docks onto pressure generating means 25, which can generate a negative pressure or an overpressure in a die cavity 8 (eg, as shown in FIGS. 1 or 2).
  • the printing device 25 can serve a plurality of exchange openings 7 (see eg FIGS. 2 to 4 and 5) and control them separately.
  • the starting substrate 5 resting on the drawing die 1 can be subjected to laser radiation by laser radiation-conducting means 26 for separate heating. In this way, a desired temperature distribution can be given to the starting substrate 5 in a targeted manner.
  • the drawing die 1 leaves the continuous furnace 21.
  • the finished object can now be formed from the drawing die 1.
  • the illustrated method and the device shown are particularly suitable for thin glass, which is understood here as glass with a maximum thickness of 2 mm.
  • glasses of very small thickness below 1 mm, preferably below 500 ⁇ or more preferably below 300 ⁇ represent a particularly interesting application of the invention.
  • Such glasses are used z. B. as display glasses.
  • the method described here makes it possible to adhere to the narrow process window necessary in the production of three-dimensional macro-shapes and, if necessary, also in the molding of microstructures.
  • Forming speed which can be influenced by the local variation of the pressures or else by the total pressure in the die cavity 8 (see FIG. 2).

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines dünnwandigen Objekts mit dreidimensionaler Form, bei dem einem dünnwandigen Ausgangssubstrat (5) mittels eines ein fluides Wirkmedium und eine Ziehmatrize (1) einsetzenden Tiefziehprozesses unter Einsatz mindestens eines Prozessparameters eine dreidimensionale Makroform aufgegeben wird, wobei der mindestens eine Prozessparameter mindestens einen Druck oder eine Druckverteilung des fluiden Wirkmediums in mindestens einem an dem aufliegenden Ausgangssubstrat (5) angrenzenden Matrizen-Hohlraum (8) der Ziehmatrize (1) beeinflusst und wobei der Druck oder die Druckverteilung des fluiden Wirkmediums über mindestens zwei in demselben Matrizen-Hohlraum (8) endende Austauschöffnungen (7) beeinflusst wird, kennzeichnet sich dadurch, dass die zwei oder mindestens zwei der in demselben Matrizen-Hohlraum (8) endenden Austauschöffnungen (7) zur Beeinflussung des Druckes oder der Druckverteilung separat angesteuert werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dünnwandigen Objekts mit dreidimensionaler Form
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dünnwandigen Objekts mit dreidimensionaler Form sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Dünnwandige dreidimensionale Objekte finden in unterschiedlichsten Technikbereichen Anwendung. Derartige Objekte werden z.B. zum Erreichen hoher Kratzfestigkeit und Haltbarkeit bevorzugt aus Glas hergestellt und in unterschiedlichsten Anwendungen, z.B. als Abdeckung oder auf vielfältige Weise im Interieur von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Andere Beispiele eines stark wachsenden Marktes sind Display- Abdeckungen von Mobiltelefonen oder Abdeckungen und Umhausungen von sensorischen Elementen.
Oberflächen derartiger Objekte mit dreidimensionaler Makroform können mittels einer Mikrostrukturierung funktionalisiert sein. Objekte mit funktionalisierter Oberfläche können z.B. eine besondere haptische Wirkung aufweisen und beispielsweise als Abdeckung dienen. Funktionalisierte Oberflächen können auch optisch wirksam sein, z.B. mit Anwendungen in der allgemeinen Optik, z.B. als Reflektoren oder im
Zusammenhang mit LED-Beleuchtung, und insbesondere im Displaybereich. Antiadhäsive Oberflächen, z.B. selbstreinigende oder benetzungsarme Oberflächen, können z.B. im Medizintechnikbereich bedeutsam sein.
In den vorgenannten Beispielen und vielen weiteren Anwendungen kann insbesondere Dünnglas eingesetzt werden, welches hier als Glas mit einer Dicke von maximal 2 mm verstanden wird. Insbesondere Gläser noch geringerer Dicke, z.B. unterhalb 1 mm, vorzugsweise unter 500 μιτι oder weiter vorzugsweise unterhalb 300 μιτι, stellen mit Blick auf die Zukunft einen besonders interessanten Anwendungsbereich der Erfindung dar. Der Werkstoff Glas bietet aufgrund seiner Kratzfestigkeit, Haptik, und
Langzeitbeständigkeit sowie seiner Einsatzmöglichkeit bei hohen Temperaturen und seiner Beständigkeit gegenüber ultravioletter Strahlung und einer Vielzahl von korrosiven Medien und Lösungsmitteln eine hochwertige Alternative zu Kunststoffen. Die hier dargestellte Erfindung umfasst allerdings auch grundsätzlich dünnwandige Objekte aus Kunststoff oder anderen Materialien.
Es ist allgemein bekannt, eine Mikrostrukturierung auf Oberflächen in gesonderten, in der Regel nachgelagerten Prozessschritten mittels Beschichtungstechnik oder
Laserstrukturierungstechniken durchzuführen. Beschichtungen sind zumeist sehr aufwendig sowie kostenintensiv und machen zudem ein späteres Recycling des
Substrats schwierig oder gar unmöglich. Die Laserstrukturierung ist nur für spezielle, industriell oftmals nicht relevante Materialien einsetzbar. Zudem ist die
Laserstrukturierung, z. B. aufgrund der eingesetzten Kurzpuls-Laser, der aufwendigen hochpräzisen Strahlführung und der durch den Einsatz von Laserstrahlquellen erhöhten Sicherheitsanforderungen, mit hohem Aufwand und damit hohen Kosten verbunden.
Die JP 2007131499 A offenbart, einem flachen Glasartikel eine Makroform aufzugeben, wofür ein Glas-Ausgangssubstrat auf eine Tiefziehmatrize gelegt wird, welche eine oder mehrere Matrizen-Hohlräume bildende Vertiefungen mit jeweils einer Absaugöffnung aufweist. Über die Absaugöffnung wird ein Unterdruck erzeugt, mit dem das erhitzte und damit erweichte Glas-Ausgangssubstrat in die Form hineingezogen wird. Am Rand der Form wird das Glasmaterial fixiert. Die JP 2007131499 A hat eine möglichst gleichbleibende Dicke des Glasprodukts nach der Umformung zum Ziel. Um ein
Hineinfließen eines zu großen Anteils des Glases in die Tiefziehform zu vermeiden, wird die Erzeugung des Vakuums zeitweise mittels eines Umschaltventils unterbrochen. Sämtliche Absaugöffnungen sind über einen Sammelraum mit demselben
Umschaltventil verbunden. Mit dem Umschalten des Ventils wird von Unterdruck schlagartig auf Normaldruck umgestellt, so dass ein Nachfließen des Glases zunächst verhindert wird. Durch erneutes Umschalten des Ventils wird wieder Unterdruck erzeugt, wodurch sich der Teil des Glases, der noch nicht an die Oberfläche der Form angeformt ist, weiter in die Form absenkt. Das Einbringen einer Mikrostruktur in die Glasoberfläche wird nicht angesprochen.
Aus der JP 2000256023 A sind eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei denen erweichtes Glas durch Unterdruck einem Tiefziehprozess unterzogen wird. Eine der Ausführungsformen weist eine Mehrzahl von Absaugöffnungen an einem Matrizen-Hohlraum auf zur Erzeugung des Unterdrucks auf.
Aus der DE 10034507 C1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Mikrostrukturen auf Glas- oder Kunststoffsubstraten bekannt. Dabei wird mittels eines
Formgebungswerkzeuges, dessen Oberfläche entsprechend dem Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur ausgebildet ist, in das Substrat die Mikrostruktur durch Aufpressen eingeformt. Das Formgebungswerkzeug weist einen Grundwerkstoff mit offener Porenstruktur auf, durch die ein Unterdruck erzeugt wird, mit dem das Substrat auf die Oberfläche des Formgebungswerkzeuges gepresst wird. Das Entformen erfolgt mit Überdruck, ebenfalls durch die Porenstruktur hindurch. Das offenbarte Verfahren sowie das Formgebungswerkzeug dienen allein zum Einbringen einer Mikrostruktur.
Die EP 1852239 B1 offenbart es, auf der Oberfläche eines Ausgangssubstrats aus Kunststofffolie zunächst eine Mikrostruktur zu erzeugen und anschließend das
Ausgangssubstrat mittels eines fluides Wirkmediums und einer Ziehmatrize im
Tiefziehprozess dreidimensional zu formen. Es sind zwei Absaugöffnungen für den Matrizen-Hohlraum gezeigt, über die ein Vakuum erzeugt werden kann. Die Öffnungen können aber auch als Austauschöffnungen zum Entweichen eines Fluids, z.B. Luft, dienen für den Fall, dass von der dem Matrizen-Hohlraum abgewandten Seite des Ausgangssubstrats ein Überdruck aufgebaut wird.
Die US 2005/0146073 A1 offenbart, aus einem dünnen Ausgangssubstrat aus
Kunststoff mittels Tiefziehens einen Blumentopf herzustellen. Dabei wird dem
Blumentopf im Tiefziehprozess auf seiner äußeren Oberfläche eine Struktur
aufgegeben. Eine zentrale Absaugöffnung verzweigt dabei zum Matrizen-Hohlraum hin in mehrere Einzelöffnungen.
Aus der US 2016/0194200 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Mikrostrukturen bekannt, bei dem ein im Wesentlichen flaches umzuformendes Material zwischen zwei Formen eingelegt und erhitzt wird. Durch einen Druckgradienten wird das Material in Richtung auf einen Boden eines der Formen gedrückt. Dabei kann dieselbe Form mehrere Matrizen-Hohlräume aufweisen, wobei jeder Matrizen-Hohlraum eine eigene Austauschöffnung zum Austausch einen Wirkmediums, z.B. Luft, aufweist. Dabei können unterschiedliche Matrizen-Hohlräume mit unterschiedlichen Drücken versehen werden, so dass sich das umzuformende Material in den unterschiedlichen Matrizen-Hohlräumen unterschiedlich stark verformt.
Die DE 10 2010 020 439 A1 offenbart Verfahren zum Herstellen geformter Glasartikel mit definierter Geometrie. Dabei wird eine Glasscheibe auf eine Form aufgelegt und in einem Heizaggregat erwärmt. Die Verformung erfolgt dann mittels äußerer
Krafteinwirkung, zum Beispiel mittels Schwerkraft oder einer Druckdifferenz. Dabei kann vorgesehen werden, dass Glas nicht homogen aufzuheizen sondern bevorzugt in solchen Bereichen, in denen eine Umformung vorgenommen werden soll. Damit kann über eine definierte Temperaturverteilung die spätere Form des Glasartikels beeinflusst werden.
Aus der DE 10 2014 200 921 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines geformten Glasartikels begann, wobei dort jedoch eine Form oder Ziehmatrize nicht erforderlich ist. Ein Ausgangsglas wird lediglich gehalten, erwärmt und einem
Druckgefälle ausgesetzt. Dabei wird vorzugsweise mittels eines Laserstrahls ein gewünschter Temperatur-Zeit-Verlauf auf der Glasscheibe eingestellt. Die
Temperaturverteilung auf dem Ausgangglas ist dabei so gewählt, dass die Viskosität an den Stellen im erforderlichen Maße erniedrigt wird, an denen eine Verformung erwünscht ist.
Aus der DE 10 2007 012 146 B4 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Umformung aus unter Wärmeeinfluss verformbaren Materialien, insbesondere aus Glas, bekannt. Auch hier wird auf eine Biegeform oder eine Ziehmatrize verzichtet. Die Verformung erfolgt, indem bei einer Erwärmung des Bauteiles die Temperaturverteilung in dem Bauteil so gewählt und das Bauteil so gelagert wird, dass sich das Bauteil unter Schwerkrafteinwirkung in einer Formungszone verformt. Mit ein und derselben
Vorrichtung können unterschiedliche Umformungsvorgänge durch unterschiedliche Temperaturverteilungen ausgeführt werden. Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Verfahren sowie eine alternative Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, ein dünnwandiges Objekt dreidimensional zu formen.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Verfahrensansprüchen.
Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird die Erfindung mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Vorrichtungsansprüchen.
Somit wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines dünnwandigen Objekts gemäß dem Oberbegriff das Anspruchs 1 erstmals vorgeschlagen, dass zwei oder mindestens zwei der in demselben Matrizen-Hohlraum endenden Austauschöffnungen zur
Beeinflussung des Druckes oder der Druckverteilung separat angesteuert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird dabei so ausgeführt, dass der Druck oder die Druckverteilung des fluiden Wirkmediums in dem Matrizen-Hohlraum über mindestens zwei Austauschöffnungen beeinflusst wird. Bei dem fluiden Wirkmedium kann es sich - unabhängig von der beanspruchten Ausführungsvariante der Erfindung - um ein Gas, z.B. Luft handeln.
Beispielsweise kann vorgesehen werden, ab einem bestimmten Zeitpunkt aus einer der Austauschöffnungen oder aus einer Teilanzahl der Austauschöffnungen das fluide Wirkmedium nicht (mehr) abzusaugen, während aus den verbleibenden
Austauschöffnungen abgesaugt wird. Es kann auch vorgesehen werden, aus
verschiedenen Austauschöffnungen mit unterschiedlicher Leistung abzusaugen.
Hierdurch wird die Vielfalt der erreichbaren Formen des dünnwandigen Objekts oder von Strukturen auf der Oberfläche des Objekts erhöht. Weiterhin kann vorgesehen werden, über eine der Austauschöffnungen oder eine Teilanzahl der Austauschoffnungen fluides Wirkmedium in den Matrizen-Hohlraum oder mindestens einen der Matrizen-Hohlräume einzuspeisen, um lokal den Druck (wieder) zu erhöhen. Mit der Verringerung oder Einstellung der Absaugleistung oder durch Einspeisen des Wirkmediums an einer Austauschöffnung oder an einer Teilanzahl der Austauschoffnungen kann verhindert werden, dass sich das Ausgangssubstrat lokal im Bereich der jeweiligen Austauschöffnung an die Wand des Matrizen-Hohlraumes vollständig anschmiegt.
Lokal können - insbesondere durch Einspeisen des Wirkmediums - Strukturen in die Oberfläche, z.B. Eindellungen, eingebracht werden. Auf diese Weise ist es auch möglich, auf die Oberfläche des Objekts herzustellende Mikrostrukturen in ihrer Form zu beeinflussen oder solche Mikrostrukturen zu erzeugen. Durch Fluidflüsse beeinflusste oder erzeugte Mikrostrukturen können in ihrer Form vorgegeben sein, z.B. durch in die Wandung des zugehörigen Matrizen-Hohlraumes eingebrachte Wandstrukturen, z.B. den Fluidfluss beeinflussende Kanäle. Es ist aber auch möglich, der Mikrostruktur eine durch Zufall beeinflusste Form zu geben, in dem die Fluidflüsse nicht durch
Kanalisierung fest vorgegeben werden.
Es ist auch denkbar, dass bei einer Mehrzahl von Matrizen-Hohlräumen jeder der weiteren Hohlräume, die nicht bereits mit mindestens zwei Austauschoffnungen versehen sind, mit mindestens einer Austauschöffnung versehen ist. Deckt nun ein zu verformendes Ausgangssubstrat mehrere Matrizen-Hohlräume ab, kann der
Tiefziehprozess auf einzelne Matrizen-Hohlräume beschränkt werden. Damit können durch Variation der bedienten Matrizen-Hohlräume unterschiedliche dreidimensionale Makroformen mit einer mehrere Matrizen-Hohlräume aufweisenden Tiefziehmatrize hergestellt werden.
Darüber hinaus ist es möglich, die Geschwindigkeit des Austausche des Wirkmediums, also z.B. die Evakuierungsgeschwindigkeit, zum Matrizen-Hohlraum oder zu
mindestens einem der Matrizen-Hohlräumen zu variieren. Hierdurch kann die für die Prozessführung insgesamt benötigte Zeit beeinflusst werden. Durch unterschiedliche Austauschgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Matrizen-Hohlräumen kann ebenfalls die Makroform oder auch die Mikroform beeinflusst werden.
Außerdem kann ein pulsierender Austausch des Wirkmediums sinnvoll sein. Das heißt, dass der Druck zeitlich zwischen einem höheren und einem niedrigeren Druckgrenzwert pendelt. Der höhere Druckgrenzwert kann z.B. dem Umgebungsdruck entsprechen oder auch niedriger oder höher sein. Der höhere Druckgrenzwert und/oder der niedrigere Druckgrenzwert können auch zeitlich variieren, z.B. stetig sinken, während der aktuelle Druck zwischen diesen Druckgrenzwerten pendelt. Das Pendeln kann stetig sein, z.B. durch einen in der Zeit sinusförmigen Verlauf, oder auch schlagartige
Druckänderungen, z.B. auf Umgebungsdruck, umfassen. Der pulsierende Austausch des Wirkmediums kann zu sukzessiven Verformungsschritten und zu einer gezielteren Verformung des Ausgangssubstrats führen, z.B. indem durch Rückführung des Druckes im Matrizen-Hohlraum auf Umgebungsdruck ein Nachfließen in Randbereichen unterbunden wird, bis dieser Randbereich sich an die angrenzende Wand angelegt hat und stabil ist, um anschließend den Druck wieder abzusenken und eine weitere
Verformung des übrigen Materials des Ausgangssubstrats zu bewirken.
Es kann auch vorgesehen werden, dass zusätzlich zum Unterdruck oder alternativ zum Unterdruck ein von außen auf das Ausgangssubstrat wirkender Überdruck mittels desselben oder eines anderen Wirkmediums eingesetzt wird, um den Druck oder die Druckverteilung im mindestens einen Matrizen-Hohlraum zu beeinflussen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass mittels Variation des Prozessparameters oder mindestens eines der
Prozessparameter mit derselben Ziehmatrize unterschiedliche dreidimensionale
Formen herzustellen. Bei den variierbaren Prozessparametern handelt es sich um solche, die den Druck oder die Druckverteilung im mindestens einen Matrizen-Hohlraum beeinflussen. Unterschiedliche Formen mit derselben Tiefziehmatrize erhält man dann, wenn das Ausgangssubstrat unterschiedlich weit in den Matrizen-Hohlraum oder die Matrizen-Hohlräume eindringt. Das heißt, je nach gewünschter Makroform des Objekts endet der Tiefziehprozess, bevor sich das Ausgangssubstrat vollständig an sämtliche Wände des Matrizen-Hohlraumes angeschmiegt hat. Durch die Wahl der auf den Druck bezogenen Prozessparameter kann bestimmt oder zumindest beeinflusst werden, wie der Tiefzieh prozess voranschreitet und wann er in welchen Bereichen des Matrizen- Hohlraums endet.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass die
Ziehmatrize während des Tiefziehprozesses eine niedrigere Temperatur aufweist als das Ausgangssubstrat. Hiermit kann ein Kleben des Substratmaterials an der
Ziehmatrize verhindert oder zumindest verringert werden. Hierfür kann es vorteilhaft sein, zwischen dem Ausgangssubstrat und der Ziehmatrize Abstandshalter anzuordnen und anschließend erst das Ausgangssubstrat durch Zuführung von thermischer Energie zu erweichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass das
Ausgangssubstrat durch Erhitzen so weit erweicht wird, dass eine durch ein Absinken des Ausgangssubstrats entstehende Kontaktfläche zwischen dem Ausgangssubstrat und der Ziehmatrize zumindest in einem Teilbereich gegenüber dem Wirkmedium dichtend ist. Das Erhitzen kann z. B. vor Anlegen eines Vakuums oder eines
Überdruckes erzeugt werden, so dass das Substrat allein aufgrund der Gravitationskraft auf die Ziehmatrize absinkt und hierdurch dichtend wirkt. Dadurch kann der Einsatz besonderer Maßnahmen zur Abdichtung des Ziehmatrizeninnenraumes gegenüber der Umgebung eingespart werden.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so
auszuführen, dass während des die Makroform erzeugenden Tiefziehprozesses mittels einer auf mindestens einer Innenwand der Ziehmatrize vorgesehenen
Oberflächenstrukturierung der Oberfläche des Ausgangssubstrat zumindest in einem Teilbereich eine Mikrostruktur aufgegeben wird.
Die Oberflächenstrukturierung der mindestens einen Innenwand der Ziehmatrize ist vorzugsweise das Negativ der gewünschten Mikrostruktur für den zur Anlage
kommenden Bereich des Substrates. Die Oberflächenstrukturierung der Ziehmatrize kann auch durch mindestens ein in die Ziehmatrize eingelegtes Objekt, z.B. eine Folie oder ein gestanztes oder vorzugsweise gelasertes Lochblech, erreicht werden. Die Mikrostruktur kann zusätzlich durch den Fluss des Wirkmediums beeinflusst werden, wie dies weiter oben bereits dargestellt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch so ausgeführt werden, dass zumindest ein Teil der angestrebten Mikrostrukturen erst nach dem Tiefziehprozess eingebracht wird, z. B. mittels eines Stempels.
Es ist auch möglich, zumindest einen Teil der angestrebten Mikrostruktur vor dem Tiefziehprozess bereits in das Ausgangssubstrat einzubringen.
Das Herstellen der Mikrostruktur vor oder nach dem Tiefziehprozess oder während des Tiefziehprozesses kann am selben Ausgangssubstrat auch kombiniert werden.
Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass der mindestens eine oder mindestens einer der Prozessparameter zusätzlich eine
Temperaturverteilung im Ausgangssubstrat beeinflusst. Dabei kann es sich bei einem auf die Temperatur bezogenen Prozessparameter um einen solchen handeln, der nicht gleichzeitig zur Steuerung des Druckes in einem Matrizen-Hohlraum vorgesehen ist. Insbesondere kann zur Variation der dem Objekt aufzugebenden Makroform und - soweit gewünscht - einer Mikrostruktur den Ausgangssubstraten in verschiedenen Tiefziehprozessen unterschiedliche Temperaturverteilungen, z.B. in der zur
Dickenrichtung senkrechten Fläche des Ausgangssubstrats, für den Tiefziehprozess aufgegeben werden. Die Temperaturverteilung im Ausgangssubstrat beeinflusst die Art und Weise des Einfließens des Ausgangssubstrats in die Ziehmatrize, so dass z. B. erreicht werden kann, dass Bereiche der Ziehmatrizen-Oberfläche vom Substrat nicht erreicht werden oder dass das fertig ausgeformte Substrat unterschiedliche Dicken in unterschiedlichen Bereichen aufweist. Z.B. können die Bereiche des
Ausgangssubstrats, welche sich während des Tiefziehprozesses stärker verformen müssen, stärker erhitzt werden, um dort eine höhere Fließfähigkeit zu erreichen.
Die Beeinflussung der Makroform oder der Mikrostruktur mittels des
Temperaturgradienten kann auch kombiniert werden mit der oben beschriebenen Steuerung des Absaugens oder der Zufuhr des fluiden Wirkmediums durch die
Austauschöffnungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonderer Weise bei einem
Ausgangssubstrat aus Glas, insbesondere aus dünnem Glas mit einer Dicke von höchstens 2 mm, vorzugsweise unterhalb 1 mm, weiter vorzugsweise unter 500 μιτι und weiter vorzugsweise unterhalb 300 μιτι.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung bieten insbesondere in Hinblick auf die Beeinflussbarkeit der Mikrostruktur und/oder der Makroform mittels separater Steuerung unterschiedlicher Austauschöffnungen oder der Einstellung bestimmter Temperaturverteilungen im Ausgangssubstrat interessante Möglichkeiten, die z.B. für eine adaptive Produktion, insbesondere eine vernetzte adaptive Produktion, vorteilhaft eingesetzt werden können.
Bevorzugte und beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden im Folgen anhand von Figuren dargestellt.
Es zeigt schematisch
Fig. 1 : allgemein eine Tiefziehvorrichtung mit Heizungsvarianten, Fig. 2: eine Tiefziehmatrize mit Absaugkanälen,
Fig. 3: eine Variante der Tiefziehmatrize mit Absaugkanälen mit Mikrobohrungen,
Fig. 4: eine Tiefziehmatrize mit angeschlossener Überdruckkammer,
Fig. 5: ausschnittsweise die Innenseite einer Tiefziehmatrize mit einem Negativ einer gewünschten Mikrostrukturierung, Fig. 6 eine Tiefziehmathze mit Glassubstrat, welches bereits vor dem Tiefziehen mikrostrukturiert wurde
Fig. 7 das Ergebnis des Tiefziehprozesses an einem vorstrukturierten Substrat
Fig. 8 Tiefziehmatrize mit Substrat und Stempelwerkzeug zur nachträglichen
Mikrostrukturierung und
Fig. 9 einen Durchlaufofen mit Tiefziehmatrize.
Fig. 1 zeigt schematisch im Querschnitt eine Tiefziehvorrichtung mit einer Ziehmatrize 1 , einem die Ziehmatrize 1 umgebenden Heizblock 2 zur Erwärmung der Ziehmatrize 1 . Der Heizblock 2 kann z. B. elektrisch, beispielsweise mit Heizpatronen 3 oder
Heizschlangen 4, beheizt werden. Heizpatrone 3 und Heizschlange 4 sind nur symbolisch hier eingezeichnet und können sich in beliebiger und geeigneter weise im Heizblock 2 verteilen. Dabei können alleine Heizpatronen 3 oder alleine Heizschlangen 4 oder beide Maßnahmen eingesetzt werden. Möglich sind auch alternativ oder zusätzlich weitere hier nicht genannte Heizmöglichkeiten für die Ziehmatrize 1 .
Auf der Ziehmatrize 1 liegt ein Ausgangssubstrat 5, vorzugsweise aus Glas, auf, welches somit einen Matrizen-Hohlraums 8 einseitig begrenzt. Das Ausgangssubstrat 5 kann gesondert durch eine Heizeinheit 6 beheizt werden. Die hier nur symbolisch dargestellte Heizeinheit 6 kann z. B. eine Strahlungsheizung, eine Konvektionsheizung und/oder eine Laserstrahleinrichtung umfassen. Es ist möglich, mit der gesonderten Heizeinheit 6 dem Ausgangssubstrat 5 eine gezielte Temperaturverteilung aufzugeben, um eine gewünschte ortsabhängige Fluidität des Ausgangssubstrats 5 zu erreichen.
Die Heizeinheit 6 kann zu der aus Ziehmatrize 1 und Heizblock 2 zusammengesetzten Ziehvorrichtung gehören. Die Heizeinheit 6 kann aber auch Bestandteil einer
gesonderten Heizkammer sein, in die Ziehmatrize 1 und Heizblock 2 einzeln oder in Gruppen eingestellt werden. Die Heizeinheit 6 kann aber auch als Bestandteil eines in Fig. 9 beispielhaft dargestellten Ofens, insbesondere eines Durchlauf-Ofens, oder zusätzlich zu einer Ofen-Heizeinrichtung eines solchen (Durchlauf-)Ofens eingesetzt werden. Mit einem Durchlauf-Ofen oder kontinuierlichen Ofen könnte eine signifikante Steigerung der Wirtschaftlichkeit erreicht werden.
In Abhängigkeit von der Art und Weise der Aufheizung der Ziehvorrichtung und des Substrats 5 kann unterschieden werden zwischen isothermen Tiefziehprozessen und nicht-isothermen Tiefziehprozessen. Bei isothermen Tiefziehprozessen, wie sie in einem Ofen, z.B. einem Durchlauf-Ofen verwirklicht werden können, weisen die
Ziehmatrize 1 und das Substrat 5 im Wesentlichen dieselbe Temperatur auf. Der Aufheizprozess ist bei einem isothermen Prozess möglicherweise einfacherer zu steuern, allerdings kann es zum Anbacken des Ausgangssubstrats 5 an der Ziehmatrize 1 kommen.
Bei einem nicht-isothermen Prozess kann mittels der Heizeinheit 6 die Temperatur des Ausgangssubstrats 5 anders gestaltet werden, als die der Ziehmatrize 1 . So kann z. B. die Temperatur des Ausgangssubstrats 5 im Vergleich zur Temperatur der Ziehmatrize 1 höher eingestellt werden, was insbesondere bei Ausgangssubstraten 5 aus Glas vorteilhaft sein kann. Nicht-isotherme Tiefzieh prozesse ermöglichen zudem das bereits oben beschriebene Einrichten gewünschter Temperaturverteilungen im
Ausgangssubstrat 5. So kann z. B. vorgesehen werden, die Temperatur im
Ausgangssubstrat 5 dort höher einzustellen, wo der Umformgrad höher ist, z. B. die Bereiche, die sich an die Seitenwand der Ziehmatrize 1 und den Übergang zum
Bodenbereich oder an andere hier nicht dargestellte Strukturen anschmiegen sollen. Nicht-isotherme Ziehprozesse können auch in einem Ofen, z.B. einem Durchlauf-Ofen, verwirklicht werden, z.B. indem - wie im vorherigen Absatz erwähnt - separate
Heizmittel eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform gemäß Fig. 2 weist die Ziehmatrize 1 mehrere
Austauschkanäle 7 auf, die zu einem in Fig. 2 nicht dargestellten Unterdrucksystem führen. Mit der Abdeckung durch das Ausgangssubstrat 5 kann bereits eine Abdichtung des Matrizen-Hohlraums 8 der Tiefziehmatrize 1 erreicht werden, wodurch eine
Unterdruckkammer entsteht. Weitere Maßnahmen zur Abdichtung zwischen
Ausgangssubstrat 5 und Tiefziehmatrize 1 sind möglich, hier aber nicht dargestellt. Als Abdichtungsmaßnahmen denkbar sind z. B. ein temperaturbeständiger umlaufender Dichtring zwischen Tiefziehmatrize 1 und Ausgangssubstrat 5 oder eine das Ausgangssubstrat 5 umringende, auf der Tiefziehmatrize 1 aufsetzende Dichtwand. Es ist aber auch denkbar, durch die in Fig. 2 nicht dargestellte Heizeinheit 6 (siehe Fig. 1 ) ein besonderes Aufheizen des äußeren Randes 9 des Ausgangssubstrats 5 derart zu erreichen, dass das Ausgangssubstrat erweicht und derart innig einen Kontakt mit der Tiefziehmatrize 1 eingeht, dass die Kontaktfläche dichtend ist.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Tiefziehmatrize 1 mit drei Austauschkanälen 7, die jeweils mit einem gesonderten Unterdruckerzeuger 10, z. B. einer Pumpe oder einem
Vakuumejektor, verbunden sind. Die Unterdruckerzeuger 10 sind jeweils gesondert ansteuerbar, so dass die Saugleistung durch die Austauschkanäle 7 hindurch
unterschiedlich gestaltet werden kann. Durch unterschiedliche Absaugleistungen kann die Formgebung während des Tiefzieh prozesses beeinflusst werden. So ist es z. B. nicht zwingend erforderlich, dass zum Ende des Ziehprozesses das Ausgangssubstrat 5 in allen Wandbereichen der Tiefziehmatrize 1 anliegt. Die Tiefziehvorrichtung kann auch so eingerichtet, dass an mindestens einem der Austauschkanäle 7 nicht ein bloßer Unterdruckerzeuger 10 anliegt, sondern eine Einrichtung, die bei Bedarf auch ein Gas einbringen kann, z.B. um bestimmte Gasflüsse zu bewirken und/oder einen Überdruck zu erzeugen. Zudem kann jeder Austauschkanal 7 mit einem Absperrventil oder einem regelbaren Ventil zur Drosselung der Absaugleistung oder der Blasleistung (im Falle eines Überdruckes) ausgestattet sein.
Die Beeinflussung des Ergebnisses des Tiefziehprozesses mittels steuerbarer oder regelbarer Druckverteilungen in den Austauschkanälen 7 kann unterstützt werden durch die Einrichtung gezielter Temperaturverteilungen am Ausgangssubstrat 5, welchem in der Tiefziehmatrize 1 eine Makroform aufgegeben werden soll. Durch
Simulationsrechnungen oder auf experimentellem Wege können geeignete Parameter während des Tiefziehprozesses ermittelt werden, z. B. zeitliche und räumliche
Verteilung der Temperatureinstrahlung auf das Ausgangssubstrat 5 oder zeitliche und räumliche Verteilung der Absaugleistungen oder Überdruckleistungen durch die
Austauschkanäle 7. Diese Parameter können dann einer hier nicht dargestellten datenverarbeitenden Einheit zur Steuerung der Heizeinheit 6 und der
Unterdruckerzeuger 10 oder Überdruckerzeuger zur Verfügung gestellt werden. Die für das Ausgangssubstrat 5 zu wählende Temperaturverteilung hängt vom Material des Ausgangssubstrats 5 und der zugehörigen Viskositätskurve sowie vom
gewünschten Effekt ab. Soll z.B. erreicht werden, dass ein erster Bereich des
Ausgangssubstrats 5 schneller in den darunter liegenden Matrizen-Hohlraum 8 hineinfließt als ein zweiter Bereich, ist die Temperaturverteilung so zu wählen, dass im ersten Bereich eine geringere Viskosität gegeben ist als im zweiten Bereich.
In Fig. 3 reichen die Austauschkanäle 7 nicht in ihrer ursprünglichen Form bis zur inneren Oberfläche der Tiefziehmatrize 1 , sondern verzweigen jeweils in eine Vielzahl von Mikrokanälen 1 1 , so dass die Unterdruck-/Überdruckerzeugung gleichmäßiger oder in der speziellen gewünschten Verteilung auf der inneren Oberfläche der
Tiefziehmatrize 1 verteilt wird. Die Aufteilung der Austauschkanäle 7 in Mikrokanäle 1 1 ist nicht zwingend, kann aber bei allen hier dargestellten Ausführungsbeispielen und weiteren Varianten eingesetzt werden.
Fig. 4 zeigt eine Tiefziehmatrize 1 mit Austauschkanälen 7 und aufliegendem
Austauschsubstrat 5 entsprechend der Fig. 2. Zusätzlich ist noch eine
Überdruckkammer 12 vorgesehen, die über einen Zuführkanal 13 mit einem
Wirkmedium zur Erzeugung des Überdruckes versorgt werden kann. Das Wirkmedium ist ein Fluid, vorzugsweise ein Gas, wie z. B. Luft. Die Überdruckkammer kann mit einem Fenster 14, z. B. aus Quarzglas versehen sein. Durch das Fenster 14 hindurch kann das Ausgangssubstrat 5 beheizt werden, z. B. durch Laserstrahlung. Das Fenster 14 kann auch zur Sichtkontrolle dienen, was insbesondere eine Messung der erreichten Temperaturverteilung am Ausgangssubstrat 5 ermöglicht.
Fig. 5 zeigt ausschnittsweise die Ziehmatrize 1 mit einer Innenwand 15 und einem Boden 16, an die sich das zu formende Ausgangssubstrat 5 anlegen soll. Auf der Innenwand 15 und dem Boden ist symbolisch eine feine Strukturierung dargestellt, die ein Negativ einer Mikrostruktur ist, welche in die Oberfläche des Ausgangssubstrats 5 während des Tiefziehprozesses eingebracht werden soll. In diesem Fall werden
Makroform des Ausgangssubstrats 5 und gleichzeitig die Mikrostruktur der Oberfläche des Ausgangssubstrats 5 erzeugt. Fig. 6 verdeutlicht ein gegenüber Fig. 5 alternatives Verfahren, bei dem dem Ausgangssubstrat 5 bereits vor dem Tiefziehprozess eine Mikrostruktur aufgegeben wurde, die in Fig. 6 nur symbolisch auf der strukturierten Oberfläche 17 angedeutet ist. In der Darstellung der Fig. 6 ist die strukturierte Oberfläche 17 des Ausgangssubstrats 5 der Innenwand 15 und dem Boden 16 der Tiefziehmatrize 1 abgewandt. Es ist aber auch denkbar, eine Mikrostrukturierung allein oder zusätzlich auf der der Innenwand 15 der Tiefziehmatrize 1 zugewandten Oberfläche des Ausgangssubstrats 5 bereits vor dem Tiefziehen vorzusehen. Dies kann auch lediglich stellenweise so vorgesehen werden, z.B. für die Bereiche, für die eine direkte Berührung des Ausgangssubstrats 5 mit der Innenwand 15 in den mikrostrukturierten Bereich vermieden werden soll, wie dies weiter oben als Möglichkeit beschrieben wurde.
Fig. 7 zeigt ein mögliches Ergebnis eines zu Fig. 5 dargestellten Tiefziehprozesses, nämlich ein fertiges Objekt 20 mit der durch den Tiefziehprozess erzeugten Makroform und der Mikrostrukturierung.
Fig. 8 zeigt eine weitere Alternative zum Einbringen der Mikrostrukturierung. So wurde dem Ausgangssubstrat 5 mittels der Tiefziehmatrize 1 zunächst eine Makroform aufgegeben. Anschließend wird dem verformten Ausgangssubstrat 5 mittels eines an seiner Stempelseite 19 strukturierten Stempels 18 die Mikrostruktur eingeprägt.
Mittels der Austauschkanäle 7 (siehe Figuren 2 bis 4 und 6) kann ein Überdruck erzeugt werden, um das Ausgangssubstrat 5 nach dem Tiefziehprozess aus der Tiefziehmatrize 1 zu entfernen.
Fig. 9 zeigt schematisch einen Durchlaufofen 21 , bei dem auf einem angetriebenen Laufband 22 mehrere Ziehmatrizen 1 angeordnet sind, von denen eine vergrößert dargestellt ist. Über eine Eingangsseite 23, die in hier nicht dargestellter Weise gegen zu große Wärmeverluste gesichert ist, werden die Ziehmatrizen 1 zusammen mit einem Ausgangssubstrat 5 in den Durchlaufofen 21 eingeführt. Der Innenraum des
Durchlaufofens 21 ist mittels einer hier nur symbolisch dargestellten Heizung 24 möglichst homogen aufgeheizt, so dass im Bereich der Ziehmatrizen 1 weitgehend isotherme Verhältnisse herrschen. An einem Bearbeitungsort dockt die Ziehmatrize 1 an Druckerzeugungsmittel 25 an, welche in einem Matrizen-Hohlraum 8 (sie z.B. Fig. 1 oder 2) einen Unterdruck oder einen Überdruck erzeugen kann. Die Druckeinrichtung 25 kann mehrere Austauschöffnungen 7 (siehe z.B. Fig. 2 bis 4 und 5) bedienen und separat ansteuern. In der Bearbeitungsposition kann das auf der Ziehmatrize 1 aufliegende Ausgangssubstrat 5 über Laserstrahlung leitende Mittel 26 zur gesonderten Beheizung mit Laserstrahlung beaufschlagt werden. Damit kann dem Ausgangssubstrat 5 gezielt eine gewünschte Temperaturverteilung aufgegeben werden. Durch eine Ausgangsseite 27 verlässt die Ziehmatrize 1 den Durchlaufofen 21 . Das fertige Objekt kann nun aus der Ziehmatrize 1 ausgeformt werden.
Das dargestellte Verfahren und die dargestellte Vorrichtung eignen sich insbesondere für Dünnglas, welches hier als Glas mit einer Dicke von maximal 2 mm verstanden wird. Insbesondere Gläser sehr geringer Dicke, unterhalb 1 mm, vorzugsweise unter 500 μιτι oder weiter vorzugsweise unterhalb 300 μιτι stellen einen besonders interessanten Anwendungsbereich der Erfindung dar. Derartige Gläser finden Anwendung z. B. als Display-Gläser. Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht es, die bei der Herstellung von dreidimensionalen Makroformen und bei Bedarf auch bei der Abformung von Mikrostrukturen notwendigen engen Prozessfenster einzuhalten. Durch die
Beobachtbarkeit (siehe z. B. Ausführungsbeispiel nach Fig. 4) ist auch eine Messbarkeit gegeben, wodurch eine adaptive Beeinflussungsmöglichkeit für den Tiefzieh prozess gegeben ist. So kann z. B. über Thermokameras die Temperaturverteilung am
Ausgangssubstrat 5 festgestellt werden. Zusätzliche Einflussgrößen sind die
Umformgeschwindigkeit, welche über die lokale Variation der Drücke oder aber auch über den Gesamtdruck im Matrizen-Hohlraum 8 (siehe Fig. 2) beeinflusst werden kann.
Bezugszeichenliste
1 Ziehmatrize
2 Heizblock
3 Heizpatrone
4 Heizschlange
5 Ausgangssubstrat
6 Heizeinheit
7 Austauschkanal
8 Matrizen-Hohlraum
9 Rand der Tiefziehmatrize
10 Unterdruckerzeuger
1 1 Mikrokanal
12 Überdruckkammer
13 Zuführkanal
14 Fenster
15 Innenwand
16 Teilbereich
17 strukturierte Oberfläche
20 Objekt
21 Durchlaufofen
22 Laufband
23 Eingangsseite
24 Heizung
25 Druckerzeugungsmittel
26 Mittel zur Laserstrahlleitung
27 Ausgangsseite

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines dünnwandigen Objekts mit
dreidimensionaler Form, bei dem einem dünnwandigen Ausgangssubstrat (5) mittels eines ein fluides Wirkmedium und eine Ziehmatrize (1 ) einsetzenden Tiefzieh prozesses unter Einsatz mindestens eines Prozessparameters eine dreidimensionale Makroform aufgegeben wird, wobei der mindestens eine Prozessparameter mindestens einen Druck oder eine Druckverteilung des fluiden Wirkmediums in mindestens einem an dem aufliegenden Ausgangssubstrat (5) angrenzenden Matrizen-Hohlraum (8) der
Ziehmatrize (1 ) beeinflusst und wobei der Druck oder die Druckverteilung des fluiden Wirkmediums über mindestens zwei in demselben Matrizen-Hohlraum (8) endende Austauschoffnungen (7) beeinflusst wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zwei oder mindestens zwei der in demselben Matrizen-Hohlraum (8) endenden Austauschoffnungen (7) zur Beeinflussung des Druckes oder der Druckverteilung separat angesteuert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass über eine der Austauschoffnungen oder eine Teilanzahl der Austauschoffnungen fluides Wirkmedium in den Matrizen-Hohlraum oder mindestens einen der Matrizen-Hohlräume eingespeist wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck oder die Druckverteilung im Matrizen-Hohlraum (8) oder mindestens einem der Matrizen Hohlräume (8) durch einen von außen auf das Ausgangssubstrat (5) wirkenden Druck des fluiden Wirkmediums oder eines weiteren Mediums beeinflusst wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Variation des Prozessparameters oder mindestens eines der Prozessparameter mit derselben Ziehmatrize (1 ) unterschiedliche dreidimensionale Formen hergestellt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ziehmatrize (1 ) zumindest zu Beginn des Tiefziehprozesses eine niedrigere Temperatur aufweist als das Ausgangssubstrat (5).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgangssubstrat (5) und der Ziehmatrize (1 ) Abstandshalter angeordnet werden und anschließend das Ausgangssubstrat (5) erweicht wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Ausgangssubstrat (5) durch Erhitzen soweit erweicht wird, dass die Kontaktfläche zwischen Ausgangssubstrat (5) und Ziehmatrize (1 ) zumindest in einem Teilbereich gegenüber dem Wirkmedium dichtend ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass während des die Makroform erzeugenden Tiefziehprozesses mittels einer auf mindestens einer Innenwand (15) der Ziehmatrize (1 ) vorgesehenen Oberflächenstrukturierung der Oberfläche (17) des Ausgangssubstrat (5) zumindest in einem Teilbereich eine Mikrostruktur aufgegeben wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Ausgangssubstrat (5) aus Glas, vorzugsweise aus Dünnglas, ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass für den Tiefziehprozess die Ziehmatrize (1 ) in einem Ofen, vorzugsweise in einem Durchlaufofen (21 ), mittels einer Ofen-Heizeinrichtung (24) erhitzt wird und das Ausgangssubstrat (5) mittels weiterer, separat steuerbarer Erwärmungsmittel (6, 26), z.B. mindestens einer Lasereinrichtung, mit Wärmeleistung beaufschlagt wird.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine oder mindestens einer der
Prozessparameter zusätzlich eine Temperaturverteilung im Ausgangssubstrat (5) beeinflusst.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , umfassend eine Ziehmatrize (1 ), Substraterwärmungsmittel (6, 26) zur Erwärmung eines zu verformenden Ausgangssubstrats (5), Druckerzeugungsmittel (10, 25) zur Erzeugung eines Drucks oder einer Druckverteilung eines fluiden Wirkmediums in mindestens einem Matrizen-Hohlraum (8), welcher für einen Ziehprozess an dem zu verformenden Ausgangssubstrat (5) angrenzt, wobei mindestens zwei in demselben Matrizen-Hohlraum (8) endende Austauschöffnungen (7) zum Austausch des
Wirkmediums zwischen dem mindestens einen Matrizen-Hohlraum (8) und der
Umgebung vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die
Druckerzeugungsmittel (10, 25) eingerichtet sind, mindestens zwei der
Austauschöffnungen (7) getrennt anzusteuern.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Druckerzeugungsmittel (10, 25) eingerichtet sind, bei Betrieb mit derselben Ziehmatrize (1 ) zur Erzeugung unterschiedlich geformter Objekte kontrolliert unterschiedliche Prozessparameter einzusetzen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ziehmatrize (1 ) Oberflächenstrukturen zur Erzeugung mindestens eines Teils einer Mikrostruktur auf einer Oberfläche (17) des Ausgangssubstrats (5) aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass die Substraterwärmungsmittel (6, 26) eingerichtet sind, bei Betrieb mit derselben Ziehmatrize (1 ) zur Erzeugung unterschiedlich geformter Objekte kontrolliert unterschiedliche Prozessparameter einzusetzen
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, dass die Substraterwärmungsmittel (6, 26) eingerichtet sind, im
Ausgangssubstrat (1 ) kontrolliert unterschiedliche Temperaturverteilungen einzustellen.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch Mittel zur Messung der Temperaturverteilung auf dem Ausgangssubstrat (1 ).
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Substraterwärmungsmittel (6, 26) Mittel zur Steuerung und/oder Regelung der
Temperaturverteilung auf dem Ausgangssubstrat (1 ) vor und/oder während des
Tiefziehprozesses umfassen.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, gekennzeichnet durch einen Ofen, vorzugsweise einen Durchlaufofen (21 ), zur Aufnahme der Ziehmatrize (1 ) und vorzugsweise mindestens einer weiteren Ziehmatrize (1 ), wobei der Ofen eine Ofen-Heizeinrichtung (24) aufweist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Ofen-Heizeinrichtung (24) weitere Substraterwärmungsmittel (6, 26) zur Erwärmung des Ausgangssubstrats (5) vorgesehen sind.
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