DE10256059A1

DE10256059A1 - Heißprägewerkzeug

Info

Publication number: DE10256059A1
Application number: DE2002156059
Authority: DE
Inventors: Mathis Dr. Heckele; Hans Biedermann; Heinz Dinglreiter; Harald Dittrich
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2002-11-30
Filing date: 2002-11-30
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-12-01
Also published as: DE10256059B4

Abstract

Heißprägewerkzeug, umfassend ein oberes und ein unteres Abformwerkzeug mit Strukturen, eine Heizung für die Abformwerkzeuge, sowie ein oberes und ein unteres Stammwerkzeug mit jeweils einer Aufnahme des oberen bzw. unteren Abformwerkzeuges. Aufgabe ist es, ein Heißprägewerkzeug vorzuschlagen, welches von der Grundkonzeption mit einer geringen aufzuheizenden Masse auskommt und bereits konzeptionell für die Erzielung von besonders kurzen Abkühlzeiten ausgelegt ist. Die Aufgabe wird durch ein Heißprägewerkzeug gelöst, wobei die Aufnahmen eine Führung mit Federn umfassen, sowie die Abformwerkzeuge in der Führung geführt sind und durch die Federn von dem Stammwerkzeug unter Bildung jeweils eines Luftspaltes vorgespannt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heißprägewerkzeug gemäß des ersten Patentanspruchs.
Heißprägeverfahren, bei denen derartige Heißprägewerkzeuge eingesetzt werden, dienen insbesondere der Einprägung von Strukturen in Werkstücken aus einem Material, welche anstelle eines definierten Schmelzpunkt einen Temperaturbereich aufweisen, in dem oberhalb eines Erweichungspunktes ein ausgeprägtes viskoelastisches Materialverhalten auftritt. Bei dem Heißprägevorgang wird die Oberfläche des Werkstücks während des Eindrückens des Heißprägewerkzeugs mit einem Prägehub in einer vorgegebenen Prägerichtung auf eine Temperatur oberhalb dieses Erweichungspunktes des Werkstückmaterials aufgeheizt. Technisch wird hierfür zumindest die zu einzuprägende Negativstruktur auf dem Heißprägewerkzeug temperiert. Insofern eignet sich das Heißprägeverfahren zur Strukturierung insbesondere von thermoplastischen Kunststoffen oder Gläsern, nicht aber für Metalle, die einen definierten Schmelzpunkt anstelle eines Schmelzbereiches aufweisen.
Heißprägeverfahren eignen sich im Gegensatz zu untemperierten Prägeverfahren vor allem zum Abformen auch höherer Strukturen. Um bei einer Entformung die geprägten höheren Strukturen nicht zu beschädigen ist hierzu eine besonders exakte Führung der beiden Teile des Heißprägewerkzeugs unbedingt in Prägerichtung erforderlich. Zur Entformung muss das Werkstück außerdem wieder auf eine Temperatur unterhalb des Erweichungspunkts abgekühlt sein. Zudem erfolgt der eigentliche Prägevorgang zur Vermeidung Fehlprägungen aufgrund von Lufteinschlüssen zwischen Werkstück und Heißprägewerkzeug im Vakuum.
Eine Vorrichtung zur Durchführung eines Heißprägeverfahrens für die Abformung von Kunststoffen ist in [1] beschrieben. Sie besteht im wesentlichen aus einer spindelgetriebenen Universalprüfmaschine mit zwei Auflagern. Diese Auflager dienen als Flansche für die beiden Teile, und zwar eines oberen und eines unte ren Teils, des Heißprägewerkzeuges. Dieses besteht aus jeweils einer oberen und einer unteren Heizplatte, auf je ein Abformwerkzeug mit den abzuformenden, als Negativstrukturen gestalteten Strukturen befestigt ist und welche gegen die Auflager mit je einer Isolierplatte thermisch isoliert ist. Die Temperierung der beiden Strukturen erfolgt über die Heizplatten, welche Durchflusskanäle zur Durchleitung eines temperierten Öls aufweist. Ferner sind an einer der Heizplatten ein Vakuumzylinder mit Dichtung angebracht, wobei die Dichtung beim eigentlichen Prägeprozeß auf eine entsprechende Gegenfläche der gegenüberliegenden Heizplatte unter Bildung eines evakuierbaren Volumens um die Abformwerkzeuge luftdicht aufliegt.
Das in [1] beschriebene Heißprägewerkzeug weist jedoch eine hohe aufzuheizende Masse und damit Wärmekapazität auf. Da das Heißprägewerkzeug bei einem Heißprägevorgang aufgeheizt und vor allem für die Entformung in möglichst kurzer Zeit auch wieder abgekühlt werden muss, bedeutet dies nicht nur einen relativ hohen Energieverbrauch sondern auch eine Begrenzung der minimal erforderlichen Prozesszeit nach unten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Heißprägewerkzeug vorzuschlagen, welches die genannten Einschränkungen nur in reduzierter Form aufweist, dabei bereits von der Grundkonzeption mit einer geringeren aufzuheizenden Masse auskommt und bereits konzeptionell für die Erzielung von besonders kurzen Abkühlzeiten ausgelegt ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Wesentlich bei der Erfindung ist die Gestaltung des Abformwerkzeuges, welches, mit einer eigenen Heizung ausgestattet, als eigenständige Komponente thermisch von den übrigen Komponenten, insbesondere von dem als Belastungsstempel dienenden Stammwerkzeug, des Heißprägewerkzeuges getrennt ist. Die thermische Tren nung erfolgt durch einen Luftspalt zwischen Abformwerkzeug und Stammwerkzeug, welcher nur in einem relativ kurzen Zeitabschnitt während eines Heißprägevorganges zur Übertragung einer Prägekraft vom Stammwerkzeug auf das Abformwerkzeug geschlossen ist. Die Prägekraft bewirkt nämlich ein Zusammendrücken des Luftspaltes und damit eine temporäre Überbrückung der thermischen Trennung. Größere Teile der im Abformwerkzeug gespeicherten Wärmemenge fließen folglich in diesem relativ kurzen Zeitabschnitt unisoliert in Richtung des Stammwerkzeug ab.
Durch diese Gestaltung wird in vorteilhafter Weise einerseits das für den Heißprägeprozess aufzuheizende Materialvolumen und damit die aufzuwendende Heizenergiemenge gering gehalten und andererseits durch die temporäre Überbrückung der thermischen Trennung eine Abkühlung der Abformwerkzeuge in sehr kurzer Zeit realisiert.
Die Erfindung wird im folgenden an einer Ausführungsform unter Hinzuziehung der folgenden Figur näher beschrieben. Es zeigt die Figur eine Schnittdarstellung des prinzipiellen Aufbaus des beanspruchten Heißprägewerkzeuges.
Wie der Figur zu entnehmen ist, besteht das Heißprägewerkzeug im Wesentlichen aus zwei spiegelbildlich zueinander angeordneten, ansonsten prinzipiell aber identisch aufgebauten oberen und unteren Heißprägewerkzeughälften 1 und 2, welche zwischen den beiden Auflagern 3 einer Belastungsvorrichtung, vorzugsweise einer modifizierten Universalprüfmaschine eingesetzt sind. Die obere und die untere Heißprägewerkzeughälfte 1 und 2 umfassen jeweils ein oberes bzw. unteres Stammwerkzeug 4 bzw. 5 sowie jeweils ein oberes bzw. unteres Abformwerkzeug 6 bzw. 7. Zwischen den Stammwerkzeugen und den Abformwerkzeugen befinden sich jeweils eine der zuvor beschriebenen Luftspalte 8 als thermische Trennung, zwischen den beiden Abformwerkzeugen 6 und 7 des Heißprägewerkzeugs ein Prägeraum 9 zum Einschieben eines nicht weiter dargestellten Werkstücks. In den Abformwerkzeugen 6 und 7 befinden sich zudem Kanäle 10 für die Aufnahme eines flüssigen oder gas förmigen Heizmediums, wie z.B. Öl, Wasser oder Wasserdampf, oder von Heizelementen, wie z.B. Widerstandsheizelementen, als Heizung für die Abformwerkzeuge.
Unerheblich für die Erfindung und daher in der Figur nicht dargestellt sind periphere Komponenten des Heißprägewerkzeuges, wie z.B. Komponenten einer Vakuumkammer um den Prägeraum 9, Fördereinrichtungen für das Werkstück, Sensoren, Aufnehmer oder Endschalter für einen Prägehub oder auch externe Steuergeräte oder Zuleitungen für die zuvor erwähnte Heizung.
Für einen Heißprägevorgang wird ein Werkstück in den Prägeraum 9 geschoben und der Prägeraum evakuiert. Ungefähr zeitgleich werden die Abformwerkzeuge 6 und 7 aufgeheizt und parallel zu der angedeuteten Symmetrieachse 11 in das Werkstück eingedrückt, wobei sich Strukturen 12 auf den beiden Abformwerkzeugen als Negativstrukturen unter Bildung von inversen Abformstrukturen in das Werkstück einprägen. Dabei wird über die Auflager 3 und die Stammwerkzeuge 4 und 5 eine Prägekraft parallel zur der Symmetrielinie 11 auf die Abformwerkzeuge übertragen wodurch sich auch die beiden Luftspalte 8 bis zum Berühren der Abformwerkzeuge auf die Stammwerkzeuge zusammendrücken. Durch die Berührung wird die thermische Trennung zwischen Abformwerkzeug und Stammwerkzeug überbrückt, sodass die in den Abformwerkzeugen enthaltene Wärmemenge mit einem erheblich reduzierten Widerstand in das Stammwerkzeug abfließen kann. Es kommt somit, wie auch zuvo allgemein beschrieben, in besonders vorteilhafter Weise zu einer erheblichen Beschleunigung des Abkühlungsvorganges der beiden Abformwerkzeugen vor einem anschließenden Abheben dieser vom Werkstück und damit grundsätzlich zu einer erheblichen Beschleunigung eines jeden Heißprägezyklus.
Konstruktiv weisen die Stammwerkzeuge Aufnahmen jeweils für ein Abformwerkzeug auf. Sie bestehen vorzugsweise aus einer Führung 13, vorzugsweise aus Führungsschrauben, Präzisionsschaftschrauben, Stiften, Bundbolzen oder Führungsbolzen, für eine Relativbewegung des Abformwerkzeug zum Stammwerkzeug parallel zu der Symmetrielinie 11, sowie Mittel, vorzugsweise vorgespannte Schraubenfedern 14, welche Abformwerkzeug und Stammwerkzeug unter Bildung des Luftspaltes auseinander drücken. Die Führung 13, in der Figur als Führungsschrauben dargestellt, weist dabei einen Schraubenkopf als Bund auf, wobei der Bund mit einem entsprechend geformten Absatz in einer Durchgangsbohrung durch das Abformwerkzeug eine formschlüssige maximale Begrenzung für die Breite des Luftspaltes darstellt. Ferner ist die Führungsschraube als Schaftschraube ausgeführt, wobei der Schaft eine Gleitpassung mit dem Teil der Durchgangsbohrung mit dem geringeren Durchmesser bildet. Meist ist diese Führung für einen Präzisionsheißprägeprozess nicht präzise genug, sodass zusätzliche Zentrierungen zwischen den beiden Abformwerkzeugen zueinander, beispielsweise Gleitstifte oder Zentrierbolzen, welche während des Prägehubs in beiden Abformwerkzeuge 6 und 7 eingreifen, vorzusehen sind.
Literatur

[1] A. Both, W. Backer, M. Heckele, R. Ruprecht: Herstellung beweglicher LIGA-Mikrostrukturen durch positionierte Abformung; Wissenschaftliche Berichte FZKA 5671 (November 1995) 5.49–76, insbesondere 5.61–63

1: obere Heißprägewerkzeughälfte
2: unteren Heißprägewerkzeughälfte
3: Auflager
4: oberes Stammwerkzeug
5: unteres Stammwerkzeug
6: oberes Abformwerkzeug
7: unteres Abformwerkzeug
8: Luftspalt
9: Prägeraum
10: Kanäle
11: Symmetrielinie
12: Struktur
13: Führung
14: Feder

Claims

Heißprägewerkzeug, umfassend a) ein oberes und ein unteres Abformwerkzeug mit Strukturen, b) eine Heizung für die Abformwerkzeuge, sowie c) ein oberes und ein unteres Stammwerkzeug mit jeweils einer Aufnahme des oberen bzw. unteren Abformwerkzeug, wobei d) die Aufnahmen eine Führung mit Federn umfassen, sowie e) die Abformwerkzeuge in der Führung geführt sind und durch die Federn von dem Stammwerkzeug unter Bildung jeweils eines Luftspaltes vorgespannt sind.
Heißprägewerkzeug nach Anspruch 1, wobei dem Heißprägewerkzeug eine Prägerichtung für einen Prägehub vorgegeben ist, wobei die Prägerichtung orthogonal zu den Strukturen und zum Luftspalt ausgerichtet ist.
Heißprägewerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Führung eine Führungsrichtung aufweist, welche parallel zu der Prägerichtung verläuft.
Heißprägewerkzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Führung mehrere Führungsschrauben und die Federn um die Stifte angeordnete Schraubenfedern sind.