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Die
Erfindung betrifft eine Presse, die insbesondere zur Erzeugung von
Werkstücken
mit beugungsfähigen
Strukturen eingerichtet ist.
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Herkömmliche
Pressen zum Umformen, Prägen
und Schneiden weisen in der Regel einen Stößel auf, der in Gleit- oder
Wälzlagerführungen
gelagert ist. Außerdem
wird der Stößel beispielsweise über ein
oder mehrere Pleuel hin- und hergehend angetrieben. Zum Anschluss
des Pleuels verwendete Gleitlager haben in der Regel ein Spiel und
führen außerdem zur
Wärmeerzeugung.
Spielarme oder nahezu spielfreie Lager haben den Nachteil der erhöhten Wärmeerzeugung,
was sich hinsichtlich der Genauigkeit der zu fertigenden Produkte
schädlich
auswirken kann. Die genannten Auswirkungen nehmen mit zunehmender
Arbeitsgeschwindigkeit der betreffenden Pressen zu.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Pressenkonzept anzugeben,
mit dem Werkstoffe mit höchster
Präzision
spanlos umgeformt werden können.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Presse nach Anspruch 1 gelöst:
Die
erfindungsgemäße Presse
eignet sich als Vorrichtung zur Herstellung feinstverformter Oberflächen. Sie
kann insbesondere zum präzisen
Prägen von
Oberflächenstrukturen
im Nanometerbereich eingesetzt werden. Dies betrifft die Halbleitertechnik, die
fälschungssichere
Kennzeichnung von Produkten, insbesondere mit Prägestempeln, die im Nanometerbereich
liegende Strukturen aufweisen, die Herstellung farbiger schillernder
Oberflächen,
die Herstellung Braggscher Gitter oder Tannenbaumstrukturen. Insbesondere
eignet sich die Presse sowohl zur Herstellung von flächigen Gegenständen, wie
beispielsweise nanogeprägten
Folien oder auch zur Strukturierung der Oberfläche massiver Körper, wie
beispielsweise bei der Münzherstellung.
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Die
erfindungsgemäße Presse
weist dazu einen Stößel auf,
der durch als Federmittel bezeichnete elastisch verformbare Elemente
ohne Zuhilfenahme von Gleit- oder Wälzlagern geführt und
gehalten wird. Eine Antriebseinrichtung dient dabei zur kontrollierten
Bewegung des Stößels. Die
Antriebseinrichtung kann im einfachsten Fall ein Linearmotor sein,
dessen bewegliches Teil mit dem Stößel verbunden und dessen stationäres Teil
an dem Pressengestell angeordnet ist. Durch den Wegfall von Wälz- oder
Gleitlagern für
den Stößel lässt sich
dieser besonders präzise
führen.
Es sind keine Gleitflächen vorhanden,
zwischen denen Ölpolster
auszubilden wären. Ölpolster
können
sonst in Druck- oder
Ruhephasen weg gedrückt
werden, so dass sich Misch- und Trockenreibung und ein entsprechender
Verschleiß ergibt.
Genau dies wird durch die Lagerung des Stößels durch verformbare Elemente,
insbesondere Federmittel vermieden.
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Das
Federmittel wird vorzugsweise durch ein Federpaket, beispielsweise
in Form von geraden Blattfedern, gebildet, die sich bei der Auslenkung
des Stößels geringfügig s-förmig verformen.
Diese sind vorzugsweise quer zur Bewegungsrichtung des Stößels angeordnet
und in dieser Querrichtung elastisch auslenkbar. In ihrer jeweiligen
Längsrichtung
sind sie jedoch steif. Sie bilden für den Stößel eine Parallelogrammführung, so
dass dieser nahezu eine Linearbewegung, genau genommen eine Schwenkbewegung
mit im Verhältnis
zu seinem Hub sehr großem Radius
ausführt.
Der Radius ist vorzugsweise mehr als zehn mal so groß wie der
von dem Stößel zu durchlaufende
Arbeitshub.
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Dem
Stößel ist
eine Antriebseinrichtung zugeordnet, die vorzugsweise ebenfalls
gelenklos ausgebildet ist. Die Antriebseinrichtung kann ein krafterhöhendes Getriebe,
beispielsweise in Form eines Federstelzengetriebes aufweisen. Dieses
umfasst beispielsweise einen quer zur Stößelbewegungsrichtung bewegbaren
Träger,
der an einer Seite über
ein, zwei oder mehrere Blattfedern mit dem Stößel und an der gegenüber liegenden
Seite über
ein, zwei oder mehrere Blattfedern mit dem Maschinengestell verbunden
ist. Eine Querbewegung dieses Trägers
wird deshalb in eine Längsbewegung
des Stößels übersetzt.
Zum Antrieb des Trägers
dienen geeignete Linearantriebe, wie beispielsweise ein Linearmotor.
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Weitere
Details vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, deren Beschreibung
und Unteransprüchen.
Die Beschreibung nennt Aspekte der Erfindung sowie sonstige Gegebenheiten.
Weitere Einzelheiten entnimmt der Fachmann der Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Umformeinrichtung
in schematisierter Darstellung,
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2 den
Stößel der
Umformeinrichtung nach 1 in schematisierter Ansicht
von unten,
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3 eine
abgewandelte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Umformeinrichtung
in ausschnittsweiser Darstellung und
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4 eine
weitere abgewandelte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Umformeinrichtung
in schematisierter Darstellung.
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In 1 ist
eine Umformeinrichtung in Form einer Presse 1 veranschaulicht,
die z. B. als Münzpresse
oder auch als anderweitige Presse zur hochpräzisen Umformung von Werkstücken dienen
kann. Beispielsweise kann die Presse 1 der Herstellung von
Werkstücken
mit feinst strukturierter Oberfläche dienen.
Eine solche Feinststrukturierung kann beispielsweise das Prägen beugungsaktiver
Strukturen, z. B. Linienstrukturen mit Linienabständen im
Bereich von Mikrometern oder Bruchteilen von Mikrometern umfassen.
Hat das Prägewerkzeug
geeignete feinst strukturierte harte Prägeeinsätze können damit beispielsweise auf
Oberflächen
von Metallgegenständen
Strukturen erzeugt werden, die bei Beleuchtung mit weißem Licht
Farbspiele zeigen.
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Zu
der Presse 1 gehört
ein Gestell 2, das ein geeignetes Werkzeug 3 lagert.
Zu dem Werkzeug 3 gehören
ein Oberwerkzeug 4 und ein Unterwerkzeug 5, von
denen zumindest eines beweglich gelagert ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist das Unterwerkzeug 5 auf einem Pressentisch 6 oder
einem anderen geeigneten Teil des Pressengestells 2 gelagert.
Das Oberwerkzeug 4 ist hingegen an einem Stößel 7 gehalten,
der auf den Pressentisch 6 hin und von diesem weg bewegbar
ist. Die Bewegungsrichtung ist in 1 durch
einen Pfeil 8 angedeutet. Der Stößel 7 ist durch eine
Führungseinrichtung 9 in Richtung
des Pfeils 8 beweglich gelagert. Die Führungseinrichtung 9 wird
durch ein oder mehrere Elemente gebildet, die sowohl an dem Stößel 7 als
auch an dem Pressengestell 2 oder einem daran vorgesehenen
Halter 10 starr gefasst sind. Im vorliegenden Fall werden
diese Elemente durch Federn 11, 12, 13, 14 eines
Federpakets 15 gebildet. Die Federn 11 bis 14 sind
z. B. Blattfedern, die jeweils mit einem Ende an den Stößel 7 und
mit dem anderen Ende an den Halter 10 angeschlossen sind.
Während
im Ausführungsbeispiel
nur vier Federn 11 bis 14 genannt sind versteht
sich, dass deren Zahl abweichend festgelegt werden kann. Insbesondere
wird in Betracht gezogen, eine relativ viel größere Zahl von einzelnen Blattfedern
vor zusehen, die, wie in 1 anhand der Federn 11 bis 14 dargestellt,
parallel zueinander angeordnet sind. Die Länge der einzelnen Federn 11 bis 14 ist
vorzugsweise deutlich größer als
die Länge
des von dem Stößel 7 zu
vollführenden
Arbeitshubs. Beträgt
dieser beispielsweise einen Millimeter, werden vorzugsweise Blattfedern
vorgesehen, deren Länge größer als
10 mm ist. Die einzelnen Federn 11, 12, 13, 14 sind
vorzugsweise untereinander gleich ausgebildet. 2 veranschaulicht
die Feder 14, die als rechteckiges Federblech konstanter
Dicke ausgebildet sein kann. Vorzugsweise stimmt ihre Breite mit der
Breite des Stößels 7 überein,
wie 2 zeigt.
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Zwischen
den einzelnen Federn 11 bis 14 sind vorzugsweise
Abstände
vorgesehen. Die Abstände
können
relativ gering gehalten sein und beispielsweise etwa im Bereich
der Dicke einer Feder 11 bis 14 liegen.
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Das
Federpaket 15 bildet eine Parallelogrammführung für den Stößel 7.
Dieser wird somit auf einer bogenförmigen Bahn bewegt, deren Krümmung durch
die Länge
der Federn 11 bis 14 festgelegt ist. Im Hinblick
auf die Länge
des Umformwegs, d. h. die Länge
des Wegs, über
den an dem Werkstück
eine Umformung stattfindet, ist die Länge der Federn 11 bis 14 bzw.
der Radius der bogenförmigen
Bewegung des Stößels 7 so
groß,
dass näherungsweise
von einer geradlinige Bewegung gesprochen werden kann.
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Zum
Antrieb des Stößels 7 ist
eine Antriebseinrichtung 16 vorgesehen, die, wie in 1 dargestellt,
eine Antriebsquelle 17 und ein Getriebe 18 umfassen
kann. Zumindest das Getriebe 18 und vorzugsweise auch die
Antriebsquelle 17 ist vorzugsweise wiederum frei von Gleit-
und Wälzlagern
oder sonstigen beweglichen Verbindungselementen ausgebildet, bei
denen die Bewegung durch unmittelbare Relativbewegung von Flächen zu
Stande kommt. Das Getriebe 18 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
als Federstelzengetriebe nach Art eines Kniehebelgetriebes ausgebildet.
Es weist einen Träger 19 auf,
der eine dem Stößel 7 zugewandte
Seite 20 und eine gegenüber
liegende, von dem Stößel 7 weg
weisende Seite 21 aufweist. Zwischen dem Träger 19 und
dem Stößel 7 sind
als Federstelzen dienende Blattfedern 22, 23, 24 angeordnet.
Diese sind mit einem Ende jeweils an dem Träger 19 starr befestigt. Mit
ihrem anderen Ende sind sie jeweils mit dem Stößel 7 starr verbunden.
Die Zahl der einzelnen Federn 22, 23, 24 kann
nach Bedarf beliebig festgelegt werden. An der gegenüber liegenden
Seite 21 sind ebenfalls Federelemente 25, 26, 27 gehalten,
die wiederum mit einem Ende starr mit dem Träger 19 und mit ihrem
jeweiligen anderen Ende mit dem Gestell 2 oder einem an
diesem gehaltenen Halter verbunden sind. Die Federn 22 bis 24 sind
zueinander parallel angeordnet. Die Federn 25 bis 27 sind
zueinander ebenfalls parallel angeordnet. Dabei sind jeweils zwei
auf gegenüber
liegenden Seiten 20, 21 angeordnete Federn 22/25 bzw. 23/26 oder 24/27 in
einem stumpfen Winkel zueinander angeordnet.
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Der
Träger 19 des
Getriebes 18 ist über
ein mechanisches Verbindungselement 28 mit der Antriebsquelle 17 verbunden.
Diese erteilt dem Träger 19 eine
beispielsweise wegkontrollierte Querbewegung zu dem Stößel 7.
Die Bewegungsrichtung ist in 1 durch
einen Pfeil markiert.
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Die
insoweit beschriebene Presse 1 arbeitet wie folgt:
In
Betrieb erteilt die Antriebsquelle 17 dem Träger 19 eine
gesteuerte hin und her gehende Bewegung. Der Träger 19 verformt dadurch
die Federn 22 bis 27 und ändert den zwischen den einzelnen
oben genannten Paaren eingeschlossenen stumpfen Winkel. Wegen der überaus großen Steifigkeit
der Federn 22 bis 27 in Federlängsrichtung bewegt sich der
Stößel 7 in Richtung
des Pfeils 8 auf und ab, wobei er eine sehr große Kraft
aufbringen kann.
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Somit
kann die Werkstückumformung
bewirkt werden. Sie kann beispielsweise in einem ultrafeinen Prägeprozess
bestehen, im Zuge dessen in eine Werkstückoberfläche, beispielsweise eine Münzoberfläche, beugungsaktive
Strukturen eingeprägt werden
können.
Die Federn 11 bis 14 bewirken eine präzise seitliche
Führung
des Stößels 7.
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Die
Presse 1 ist auch zur Durchführung anderer besonders präzise Präge- oder
Stanzarbeiten einsetzbar. Beispielsweise können ultrafeine Masken zur
Halbleiterherstellung durch mechanische Umformung erzeugt werden.
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3 veranschaulicht
eine abgewandelte Ausführungsform,
bei der der Stößel 7 direkt
mit einer Antriebsquelle 17 zusammenwirkt, die hier als
Linearmotor 29 ausgebildet ist. Beispielsweise ist sein Stator 30 mit
dem Maschinengestell 2 verbunden, während sein Läufer 31 mit
dem Stößel 7 verbunden ist.
Auch können
anderweitige Stößel-Direktantriebe, wie
z. B. piezoelektrische Antriebe zum Antrieb des Stößels Anwendung
finden.
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Eine
weiter abgewandelte Ausführungsform der
Presse 1 veranschaulicht 4. Während das Werkzeug 3 bei
der Presse 1 nach 1 unterhalb des
Stößels 7 angeordnet
ist, ist das Werkzeug 3 bei der Presse 1 nach 4 oberhalb
des Stößels 7 vorgesehen.
Hinsichtlich der Führung
und Lagerung des Stößels 7 und
der Ausbildung des Getriebes 18 gelten die obigen Ausführungen
unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen. Die Federn 22 bis 27 bilden wiederum
ein Kniehebelgetriebe. Zum Antrieb des Trägers 19 kann ein Linearmotor 32 dienen.
Dieser ist in 4 symbolisch veranschaulicht.
Außerdem kann
der Stößel 7 mit
einem Positionssensor 33 verbunden sein, der die Stößelposition
erfasst und an eine Steuereinheit meldet. Diese Steuereinheit kann der
Ansteuerung des Linearmotors 32 dienen. Alternativ oder
ergänzend
kann der Linearmotor 32 mit einem eigenen Positionssensor 34 versehen
sein, der ebenfalls mit der Steuereinrichtung verbunden ist, um
den Stößel 7 präzise zu
positionieren.
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Die
erfindungsgemäße Umformeinrichtung weist
einen Stößel 7 auf,
der durch zumindest ein elastisch verformbares Element im Wesentlichen
linear verstellbar gelagert und ansonsten steif abgestützt ist.
Eine Antriebseinrichtung 16 dient zur gezielten vorzugsweise
wegkontrollierten Bewegung des Stößels 7. Zu der Antriebseinrichtung 16 kann ein
Getriebe 18 gehören,
das vorzugsweise frei von gleit- oder wälzgelagerten Gelenken ist.
Durch den Wegfall von Gleit- oder Wälzführungen und -lagern, insbesondere
an der Stößelführung und
vorzugsweise auch an seiner Antriebseinrichtung 16, werden Positionsfehler
in Folge von wechselnden Ölpolstern und
Verschleißerscheinungen
beim Aufbringen großer
Presskräfte
vermieden wie sie sonst durch das Verdrängen von Ölpolstern aus Lagerspalten
auftreten können.
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- 1
- Presse
- 2
- Gestell
- 3
- Werkzeug
- 4
- Oberwerkzeug
- 5
- Unterwerkzeug
- 6
- Pressentisch
- 7
- Stößel
- 8
- Pfeil
- 9
- Führungseinrichtung
- 10
- Halter
- 11
- Feder
- 12
- Feder
- 13
- Feder
- 14
- Feder
- 15
- Federpaket
- 16
- Antriebseinrichtung
- 17
- Antriebsquelle
- 18
- Getriebe
- 19
- Träger
- 20
- Seite
- 21
- Seite
- 22
- Feder
- 23
- Feder
- 24
- Feder
- 25
- Feder
- 26
- Feder
- 27
- Feder
- 28
- Verbindungselement
- 29
- Linearmotor
- 30
- Stator
- 31
- Läufer
- 32
- Linearmotor
- 33
- Positionssensor