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Die Erfindung betrifft ein Prägewerkzeug zur Herstellung eines flächigen Retroreflektors, der eine in einem aushärtbaren Prägelack, insbesondere einem UV-Lack, ausgebildete, retroreflektierende Cornercube-Reliefstruktur aufweist und eine von einer Einfallsseite einfallende elektromagnetische Strahlung retroreflektiert. Das Prägewerkzeug weist hierbei auf einer Seite eine Anzahl n von aneinander angrenzenden Vertiefungen und/oder Erhöhungen auf, wobei jede der n Vertiefungen und/oder Erhöhungen aus drei mit einem bestimmten Winkel (α') zueinander angeordneten Planflächen gebildet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Prägewerkzeugs.
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Eine retroreflektierende Struktur reflektiert einfallende elektromagnetische Strahlung, beispielsweise Licht, weitgehend unabhängig von der Einfallsrichtung sowie der Ausrichtung des Reflektors in die Richtung, aus der die Strahlung einfällt. Dies wird als Retroreflexion bezeichnet. Bei Planspiegeln hingegen hängt die Rückstrahlung von der Spiegelorientierung ab, die nur in Ausnahmefällen senkrecht zum Betrachter ausgerichtet ist. Flächige Retroreflektoren haben eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden Einzel-Retroreflektoren. Retroreflektierende Folien sind eine häufige Realisierung flächiger Retroreflektoren. Sie finden vielfältig Anwendungen, insbesondere in der Verkehrstechnik, aber auch in der Sicherheitstechnik, beispielsweise gemäß
US 2014/0226212 A1 als Sicherheitselemente zur Authentisierung von Wertdokumenten, wie beispielsweise Banknoten, Debit- oder Ausweiskarten. Auch sind die meisten Verkehrsschilder und KFZ-Kennzeichen mit retroreflektierenden Strukturen ausgestattet, um die Sichtbarkeit in der Nacht zu erhöhen oder die Fälschungssicherheit zu verbessern (vgl.
US 5656360 ).
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Generell sind zwei Varianten von Retroreflektoren weit verbreitet: Eingebettete hoch brechende Mikrokugeln, welche auf der Unterseite verspiegelt sind, wie z.B. in
US 4763985 und
US 2009/0300953 A1 beschrieben. Das optische Prinzip beruht hier auf sogenannten Lüneburg-Linsen, welche das einfallende Licht in Richtung der Strahlquelle reflektieren. Die andere Variante, auf deren Gebiet die Erfindung angeordnet ist, basiert auf Reliefstrukturen aus Planflächen, sogenannten Cornercube-Strukturen, die die Form von Würfelecken haben. Dabei wird das einfallende Licht nacheinander an drei mit einem Winkel von exakt 90° zueinander angeordneten Planflächen (sogenannter Tripelspiegel) umgelenkt und zur Strahlquelle zurückgeworfen. Diese Geometrie hat die höchste Effizienz der Retroreflexion bei senkrechtem Lichteinfall; die Effizienz nimmt für zunehmend schrägen Lichteinfall ab. Die Geometrie einer derartigen aus dem Stand der Technik bekannten Struktur ist in
1 dargestellt.
1a zeigt hierbei schematisch in Seitenansicht die Reliefstruktur eines flächigen Retroreflektors mit dem optischem Pfad der Retroreflexion. Der Retroreflektor ist als Folienverbund aufgebaut, der eine Trägerfolie
1 sowie eine Schicht
2 aus einem Prägelack umfasst, wobei in die Schicht
2 eine Reflexionsstruktur
3 abgeformt ist. Die Reflexionsstruktur
3 besteht aus Planflächen, die zueinander mit einem Winkel von 90° angeordnet sind, so dass einfallende Strahlung mehrfach umgelenkt und letztlich retroreflektiert wird.
1b veranschaulicht in Draufsicht den Pfad der Retroreflexion, wie er bei Dreiecksflächen eines Tripelspiegels auftritt, aus deren Nebeneinanderreihung die retroreflektierende Reliefstruktur für den flächigen Retroreflektor aufgebaut werden kann.
1c und
1d zeigen geeignete Würfeleckflächen für die Reliefstruktur in Aufsicht bzw. perspektivisch.
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Üblicherweise wird Retroreflexfolie für KFZ-Kennzeichen und Straßenschilder im Heißprägeverfahren hergestellt. Hierbei werden die Strukturen eines Prägewerkzeugs nahezu formtreu in einen Thermoplasten überführt.
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Die Herstellung eines Prägewerkzeugs mit Cornercube-Strukturen mittels rotierender Stichel ist beispielsweise aus
WO 2018/151959 A1 ,
WO 2018/151960 A1 oder
WO 2018/151964 A1 bekannt.
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Cornercube-Strukturen für eine Retroreflexfolie sind bedingt durch ihre Tiefe von üblicherweise 15 µm bis 80 µm anspruchsvoll in der Prägung. Bei einer Prägung in einen aushärtbaren Prägelack, beispielsweise einen UV-Lack, der nach Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung im ultravioletten (UV) Wellenlängenbereich aushärtet, wird zur Vermeidung von Luftblaseneinschlüssen und zur leichteren Entformung von UV-Lack und Prägewerkzeug ein sehr fließfähiger UV-Lack benötigt. Dieser UV-Lack erfährt im Umkehrschluss während seiner Aushärtung einen relativ hohen Volumenschrumpf, der nicht isotrop ist, sondern in Richtung vertikal zur Oberfläche der Folie ausgeprägter als in horizontaler Richtung ist, da der UV-Lack auf der Folie form- und kraftschlüssig verankert ist. Dieser „anisotrope“ Schrumpf führt zu einem Abflachen der Cornercube-Strukturen und einer Vergrößerung des Cornercube-Winkels (abhängig von Lackviskosität, chemischer Zusammensetzung, Substrat, Temperatur ...).
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Cornercube-Strukturen, bei denen der Winkel zwischen den jeweiligen Planflächen nicht mehr 90° beträgt, sondern von 90° um mehr als +/- 0,5° abweicht, verlieren jedoch nahezu vollständig ihre retroreflektierende Eigenschaft.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Prägewerkzeug für Cornercube Strukturen derart weiterzubilden, dass die Nachteile des Standes der Technik behoben werden. Aufgabe der Erfindung ist es somit, Retroreflexfolie mit Cornercube-Strukturen in Prägelack, insbesondere in UV-Lack, zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß ist der bestimmte Winkel (α') um einen bestimmten Wert X kleiner als 90°, also α' = 90° - X, so dass die durch das Prägewerkzeug in den Prägelack abgeformte Anzahl n von aneinander angrenzenden Erhöhungen und/oder Vertiefungen nach einem Aushärten des aushärtbaren Prägelacks jeweils aus drei mit einem Winkel von 90° zueinander angeordneten Planflächen bestehen. Erhöhungen des Prägewerkzeugs entsprechen hierbei Vertiefungen im Prägelack und Vertiefungen im Prägewerkzeug Erhöhungen des Prägelacks.
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Die Erfindung sieht somit ein Prägewerkzeug vor, welches den Lackschrumpf vorhält bzw. kompensiert indem die Prägestrukturen überspitz gefertigt sind. Das Prägewerkzeug an sich zeigt deswegen keine retroreflektiven Eigenschaften. Daraus ergibt sich als weiterer besonderer Vorteil der Erfindung, dass das erfindungsgemäße Prägewerkzeug zu einem Zylinder oder einem Zylindersegment gebogen und angrenzende Kanten des Zylinders oder eines angrenzenden Zylindersegments mit einem elektromagnetischen Strahl, beispielsweise einem Laserstrahl, zu einem Prägezylinder miteinander verschweißt werden können. Denn trifft ein Laserstrahl auf die nicht retroreflektierenden Strukturen des Prägewerkzeugs, wird er grundsätzlich nicht zum Laser zurückreflektiert. Bei einem Prägewerkzeug mit retroreflektierenden Strukturen hingegen, wird der Laserstrahl grundsätzlich zum Laser zurückreflektiert und kann dabei den Laser beschädigen oder zerstören.
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Ein aushärtbarer Prägelack im Sinne dieser Erfindung ist ein Prägelack, der im plastisch verformbaren Zustand auf ein Substrat als Träger aufgebracht wird und in den mit einem Prägewerkzeug eine Prägestruktur abgeformt wird. Ein derartiges Prägewerkzeug ist beispielsweise ein Prägestempel oder ein Prägezylinder. Anschließend wird der Prägelack ausgehärtet, beispielsweise mittels UV-Strahlung oder Wärmestrahlung, so dass der Prägelack nicht mehr plastisch verformbar ist und die Prägestrukturen nicht mehr verändert werden können.
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Als strahlungshärtende Prägelacke werden beispielsweise radikalisch oder kationisch härtende Lacke eingesetzt, die auf einer Vielzahl von Substraten wie PET, PVC, PE, PP, PMMA oder PC verwendet werden können. Für eine stabile Verankerung des UV-Lacks auf dem Substrat kann eine haftvermittelnde Zwischenschicht zum Einsatz kommen.
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Das erfindungsgemäße Prägewerkzeug weist eine Anzahl n von aneinander angrenzenden Vertiefungen auf. Die mit diesem Prägewerkzeug abgeformte Anzahl n von aneinander angrenzenden Erhöhungen im aushärtbaren Prägelack entsprechen vor dem Aushärten des Prägelacks in ihrer Geometrie und ihren Abmessungen den korrespondierenden Vertiefungen des Prägewerkzeugs. Nach dem Aushärten des Prägelacks entsprechen die Erhöhungen im Prägelack in ihrer Geometrie und ihren Abmessungen nicht mehr den korrespondierenden Vertiefungen des Prägewerkzeugs. Vielmehr flachen die Erhöhungen durch den Schrumpf während des Aushärtens ab, so dass der Winkel zwischen drei jeweils zueinander angeordneten Planflächen zunimmt. Erfindungsgemäß flachen die Erhöhungen durch den Schrumpf während des Aushärtens um den bestimmten Wert X derart ab, so dass der Winkel zwischen drei jeweils zueinander angeordneten Planflächen 90° beträgt und die Erhöhungen retroreflektive Eigenschaften zeigen.
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Der Wert von X, um den der bestimmte Winkel (α') kleiner als 90° ist, und um den der Prägelack während des Aushärtens abflacht, ist abhängig von dem verwendeten aushärtbaren Prägelack, dem Substrat, auf das der Prägelack aufgebracht ist, und den Aushärtebedingungen und ist für unterschiedliche aushärtbare Prägelacke unterschiedlich. Falls der Wert X für einen bestimmten aushärtbaren Prägelack in Kombination mit dem zu verwendenden Substrat nicht bekannt ist, muss der Wert X durch Vorversuche bestimmt werden. Hierbei werden mit einem Versuchs-Prägewerkzeug, das Vertiefungen mit einem ersten Winkel α' aufweist, Erhöhungen in den Prägelack abgeformt und nach dem Aushärten des Prägelacks der Winkel α der sich ergebenden Flanken der Erhöhungen gemessen. Die Differenz zwischen dem gemessenen Winkel α und 90° ergibt den Korrekturwert, um den im folgenden Durchgang der Winkel α' korrigiert werden muss. Dieser Vorgang wird gegebenenfalls so lange wiederholt, bis der Winkel α gleich 90° ist.
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Der bestimmte Wert X weist für handelsübliche aushärtbare Prägelacke üblicherweise einen Wert von kleiner oder gleich 3,5° auf, bevorzugt von 0,3° bis 3,5° auf, so dass der bestimmte Winkel (α') größer oder gleich 86,5°, bevorzugt 86,5° bis 89,7° beträgt. Aus dem Stand der Technik bekannte Prägelacke sind beispielsweise UV-härtbare Hybrid Polymere für Mikrooptische Systeme der Firma „micro resist technology GmbH“ vom Typ Ormocer. Beispielsweise (Stand Juli 2015) hat der Prägelack „OrmoComp®“ oder „InkOrmo“ einen relativen Volumenschrumpf (engl. volume shrinkage) von 5% bis 7%, „OrmoStamp®“ von 4% bis 6%, „OrmoCore“ und „OrmoClad“ von 2% bis 5%, „OrmoClear®“ von 3% bis 5%, „OrmoClear®10“ von < 2% und „OrmoClear®30“ von << 2%.
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X ist somit der Wert, um den der Prägelack nach der Aushärtung schrumpft, üblicherweise um 0,3° bis 3,5°. Beispielsweise zeigen Strukturen in einem bestimmten UV-Lack nach UV-Prägung mittels eines Prägewerkzeugs mit Vertiefungen mit einem Öffnungswinkel α' von 90° bedingt durch den Lackschrumpf einen Öffnungswinkel α von 92,5°, also ist X = 2,5°. Um diesen Schrumpf bzw. diese Winkeldifferenz X im nächsten Werkzeug vorzuhalten, werden die Strukturen im Prägewerkzeug mit einem Cornercube-Winkel von 90° - 2,5° = 87,5° gefertigt.
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Abhängig vom Aufbau der retroreflektiven Folie, insbesondere davon, ob der Betrachter durch den UV-Lack auf die Würfeleckstrukturen blickt oder durch die den UV-Lack komplementär einebnende Schicht, wird die Ausgestaltung des Prägewerkzeugs bestimmt. Im ersten Fall wird das Werkzeug Vertiefungen in Form von Würfelecken aufweisen, deren Öffnungswinkel erfindungsgemäß hinsichtlich des zu erwartenden Lackschrumpfs modifiziert sind. Im zweiten Fall weist das Prägewerkzeug Erhöhungen in Gestalt der modifizierten Würfelecken auf, die im UV-Lack entsprechende Vertiefungen hinterlassen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Prägewerkzeugs. Das Prägewerkzeug besteht hierbei aus einem Substrat, wobei in eine Seite des Substrats Vertiefungen mit einem Stichel eingebracht werden, wobei der Stichel an seiner Spitze einen Winkel von 70,52°-X aufweist. Derartige Stichel bestehen beispielsweis aus Diamant, Vollhartmetall, HSS-Co, SiC, TiC, Wolfram oder TiCN.
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Im Stand der Technik werden entsprechende Prägewerkzeuge per Diamantzerspanung hergestellt. Hierbei wird ein Diamantstichel mit einem Winkel an der Spitze von 70,52° benutzt, der ein Raster an parallelen Furchen in das Substrat eines Prägewerkzeugs zieht. Im Anschluss werden zwei weitere Sätze an Rastern gezogen die um 60° bzw. 120° zum ersten Raster verdreht sind. Bei der Verwendung eines Diamantstichels mit 70,52° bleiben im Prägewerkzeug so Cornercubes mit einem Öffnungswinkel α' von 90° stehen.
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Das Substrat des Prägewerkzeugs besteht bevorzugt aus Messing (einer Legierung aus Kupfer und Zink), Kupfer, Nickel, Nickelphosphor, Nickelvanadium, Neusilber (einer Legierung aus Nickel, Kupfer und Zink) oder Kobalt. Häufig werden auch weichere Trägersubstrate eingesetzt, an deren Oberfläche eine Hartbeschichtung abgeschieden wird, z.B. Cr, CrN, Ti, TiN, Karbide, W, DLC (diamond like carbon).
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Um ein erfindungsgemäßes Prägewerkzeug mit spitzerem Öffnungswinkel von 90°-X herzustellen, wird ein entsprechend spitzerer Diamantstichel mit einem Winkel an der Spitze von 70,52°-X verwendet. Beispielsweise wird bei einem Lackschrumpf mit den Wert X = 2,5° ein Diamantstichel mit einem Öffnungswinkel von 70,52° - 2,5° = 68,02° benötigt.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen, soweit dies von dem Schutzumfang der Ansprüche erfasst ist.
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Anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele und der ergänzenden Figuren werden die Vorteile der Erfindung erläutert. Die Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen dar, auf die jedoch die Erfindung in keinerlei Weise beschränkt sein soll. Des Weiteren sind die Darstellungen in den Figuren des besseren Verständnisses wegen stark schematisiert und spiegeln nicht die realen Gegebenheiten wider. Insbesondere entsprechen die in den Figuren gezeigten Proportionen nicht den in der Realität vorliegenden Verhältnissen und dienen ausschließlich zur Verbesserung der Anschaulichkeit. Des Weiteren sind die in den folgenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Ausführungsformen der besseren Verständlichkeit wegen auf die wesentlichen Kerninformationen reduziert. Bei der praktischen Umsetzung können wesentlich komplexere Muster oder Bilder zur Anwendung kommen.
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Im Einzelnen zeigen schematisch:
- 1 einen aus dem Stand der Technik bekannten flächigen Retroreflektor und hierbei in 1a den Retroreflektor in Seitenansicht, in 1b in Draufsicht den Pfad der Retroreflexion, wie er bei Dreiecksflächen eines Tripelspiegels auftritt, und in 1c und 1d geeignete Würfeleckflächen für die Reliefstruktur in Aufsicht bzw. perspektivisch,
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines mit einem erfindungsgemäßen Prägewerkzeug hergestellten Retroreflektors in Seitenansicht,
- 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Prägewerkzeugs in Seitenansicht,
- 4 ein mit dem Prägewerkzeug aus 3 geprägten aushärtbaren Prägelack und hierbei in 4a vor dem Aushärten des Prägelacks und in 4b nach dem Aushärten des Prägelacks,
- 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines mit einem erfindungsgemäßen Prägewerkzeug hergestellten Retroreflektors in Seitenansicht,
- 6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Prägewerkzeugs in Seitenansicht,
- 7 ein mit dem Prägewerkzeug aus 6 geprägten aushärtbaren Prägelack und hierbei in 7a vor dem Aushärten des Prägelacks und in 7b nach dem Aushärten des Prägelacks.
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2 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines mit einem erfindungsgemäßen Prägewerkzeug hergestellten Retroreflektors in Seitenansicht für eine Betrachtung von oben, d.h. auf die Oberseite des Prägelacks 2 entsprechend 1a. Gestrichelt dargestellt ist der Prägelack 2, bevor er ausgehärtet ist, und mit durchgezogener Linie, nachdem er ausgehärtet ist. Vor dem Aushärten weisen die Flanken 3'der geprägten Strukturen in ihrem „Tal“ den Winkel α' zueinander auf. Während des Aushärtens schrumpft die Höhe der geprägten Strukturen, so dass ihre Flanken 3 nach dem Aushärten in ihrem „Tal“ den Winkel α = 90° zueinander aufweisen.
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3 zeigt schematisch in Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines Prägewerkzeugs 4, in dessen eine Seite zwei Vertiefungen 5 eingebracht sind. Die Vertiefungen 5 weisen Flanken auf, die im Winkel α' zueinander ausgerichtet sind. 4 zeigt einen mit diesem Prägewerkzeug 4 geprägten aushärtbaren Prägelack 2. Vor dem Aushärten des Prägelacks 2 entspricht gemäß 4a die Geometrie und die Abmessung der Erhöhungen 3' den Vertiefungen 5 des Prägewerkzeugs 4. Nach dem Aushärten des Prägelacks 2 sind die geprägten Strukturen gemäß 4b in ihrer Höhe geschrumpft, so dass ihre Flanken 3 nach dem Aushärten in ihrem „Tal“ den Winkel α = 90° zueinander aufweisen.
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5 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines mit einem erfindungsgemäßen Prägewerkzeug hergestellten Retroreflektors in Seitenansicht für eine Betrachtung von unten, d.h. durch den Prägelack 2 hindurch auf die gegenüberliegende Seite des Prägelacks 2. Das Substrat 6 und der Prägelack 2 müssen in diesem Fall transparent sein, so dass sie einfallendes Licht nahezu ungedämpft und nahezu ohne Streuung hindurchtreten lassen. In diesem Fall werden einfallende Lichtstrahlen nicht wie in 1a oder 2 oder 4b unmittelbar an der spiegelnden Oberseite des Prägelacks reflektiert, sondern erst nach Durchtritt durch das transparente Substrat 6 und den transparenten Prägelack 2. Die reflektierende Fläche ist in beiden Fällen zwar die selbe, jedoch reflektiert die gegenüberliegende Seite dieser Fläche.
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Gestrichelt dargestellt ist entsprechend 2a der Prägelack 2, bevor er ausgehärtet ist, und mit durchgezogener Linie, nachdem er ausgehärtet ist. Vor dem Aushärten weisen die Flanken 3'der geprägten Strukturen an ihrer Spitze den Winkel α' zueinander auf. Während des Aushärtens schrumpft die Höhe der geprägten Strukturen, so dass ihre Flanken 3 nach dem Aushärten an ihrer Spitze den Winkel α = 90° zueinander aufweisen.
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6 zeigt schematisch in Seitenansicht ein zweites Ausführungsbeispiel eines Prägewerkzeugs 4, an dessen einer Seite drei Erhöhungen 8 aufgebracht sind. Die Erhöhungen 8 weisen Flanken auf, die im Winkel α' zueinander ausgerichtet sind. 7 zeigt einen mit diesem Prägewerkzeug geprägten aushärtbaren Prägelack 2. Vor dem Aushärten des Prägelacks 2 entspricht gemäß 7a die Geometrie und die Abmessung der Vertiefungen 3' den Erhöhungen 8 des Prägewerkzeugs 7. Nach dem Aushärten des Prägelacks 2 sind die geprägten Strukturen gemäß 7b in ihrer Höhe geschrumpft, so dass ihre Flanken 3 nach dem Aushärten an ihrer Spitze den Winkel α = 90° zueinander aufweisen.
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Die Darstellungen in 2 bis 7 sind nicht maßstabsgetreu. Insbesondere die Tiefe der Vertiefungen 5 bzw. die Höhe der Erhöhungen 8 des jeweiligen Prägewerkzeugs 4 bzw. 7 und die Höhe der Erhöhungen vor dem Aushärten des Prägelacks 2 sind für eine bessere Anschaulichkeit stark überhöht dargestellt. Damit ist natürlich auch der Winkel α' spitzer dargestellt, als in Wirklichkeit. Der Winkel α hingegen ist jeweils nahezu maßstabsgetreu als 90°-Winkel dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0226212 A1 [0002]
- US 5656360 [0002]
- US 4763985 [0003]
- US 2009/0300953 A1 [0003]
- WO 2018/151959 A1 [0005]
- WO 2018/151960 A1 [0005]
- WO 2018/151964 A1 [0005]
