EP3915802A1 - Method for thermal embossing of substrates using sleeve technology - Google Patents
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- EP3915802A1 EP3915802A1 EP20177147.4A EP20177147A EP3915802A1 EP 3915802 A1 EP3915802 A1 EP 3915802A1 EP 20177147 A EP20177147 A EP 20177147A EP 3915802 A1 EP3915802 A1 EP 3915802A1
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- B44B—MACHINES, APPARATUS OR TOOLS FOR ARTISTIC WORK, e.g. FOR SCULPTURING, GUILLOCHING, CARVING, BRANDING, INLAYING
- B44B5/00—Machines or apparatus for embossing decorations or marks, e.g. embossing coins
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- B44B5/0047—Machines or apparatus for embossing decorations or marks, e.g. embossing coins by rolling
Definitions
- the invention relates to a method for thermal structure embossing of particularly flexible substrates, such as transfer film or the like, the substrate being guided in particular in a web-like manner along a heated embossing surface of the embossing cylinder in order to form the structure of an embossed structure formed in the embossing surface in the substrate.
- the invention also relates to an embossing cylinder in the form of an embossing sleeve and a system for thermal structure embossing of substrates.
- Much finer structures can be achieved through the use of, in particular, flexible embossing substrates, such as, for example, transfer foil.
- Such transfer substrates have a surface with a three-dimensional structure that serves as an embossing stamp for the surface of a target substrate.
- the surface of the target substrate is first coated with a hardenable coating (e.g. resin or lacquer).
- the structured substrate e.g. the transfer film
- the structure of the substrate is embossed into the surface. This leaves a negative image of the surface structure of the substrate on the target surface.
- transfer film offers the possibility of realizing very fine structures in the micro or nano range on workpiece surfaces.
- Diverse functional surfaces such as lotus blossom effects, moth eye effects or shark skin effects, light control effects, retroreflection, backlight effects, e.g. with a profile depth of 100 nm to 50 ⁇ m, can be created in this way.
- the embossing structure is introduced into the substrate by hot embossing ("thermal structure embossing"). It is known for this purpose to bring a heated embossing roller into contact with the substrate and to let it run along the embossing roller, the embossing roller rotating in the process. This process usually takes place in the R2R process (roll-to-roll process). Acquaintance Systems such as those in the EP 2 258 564 B1 are shown, use solid embossing rollers for this purpose, in the outside of which the embossing structure is molded. Such systems are primarily characterized by the fact that changing the printed or embossed image is very complex, because the entire embossing roller has to be removed in order to change the embossed image.
- these solid embossing rollers can weigh up to several tons and a changeover, ie an exchange of the embossing pattern by exchanging the roller, is almost impossible in one-man operation.
- Another approach is to weld plate-shaped shims to form a cylindrical embossing shape. As a result, it is not necessary to remove the entire solid roller in order to change the embossed image, but this technology has the disadvantage that shim seams visible in the embossed image, ie weld seams across and, depending on the working width, also along the running direction. In addition, changing the shim elements is time-consuming and complicated.
- Characteristic for thermal structure embossing processes are the high technical and financial effort required to change the embossing image. It is therefore the object of the present invention to propose a solution with which structured substrates can be produced in a cost-efficient and flexible manner by thermal structure embossing.
- the embossing cylinder is designed as an exchangeable embossing sleeve, i.e. the embossing cylinder is provided in the form of a sleeve designed as an exchangeable unit, which can be exchanged for at least one other embossing form in the form of a sleeve.
- Such sleeve-shaped embossing cylinders are known under the name "Sleeves" and are already used in flexographic printing.
- Sleeve systems include an expanding mandrel arranged in the embossing system, onto which the sleeve, that is the sleeve, is pushed and clamped by expanding the mandrel.
- Such a mandrel forms a base core or carrier core.
- the basic cores are permanently installed in the embossing system.
- the embossed image is formed on the outside of the sleeve so that the sleeve installed on the base core runs around like a solid roller.
- the embossing surface of the embossing sleeve is heated via the mandrel.
- a temperature control device for example in the form of a heating spiral or the like, can be provided in the mandrel or a basic cylinder core.
- the heat is emitted from the heating coil via the mandrel or the basic cylinder core into the sleeve and there it is conducted into the embossing surface, i.e. the heat is transferred from the mandrel via the inside of the embossing sleeve into the embossing sleeve.
- the mandrel heats the embossing sleeve from the inside.
- sleeve technology can be used successfully in thermal structure embossing and has a number of technical advantages.
- the use of sleeve technology in thermal structure embossing goes hand in hand with a significant reduction in process costs and increased flexibility.
- micro and nanostructures can be built into substrates, such as transfer foils, with high accuracy thermal imprint.
- the embossed structure comprises micro- and / or nanostructures.
- the embossing sleeve is seamless.
- a seamless or weldless sleeve is shaped like a sleeve and has a seamless, in particular continuously smooth surface structure into which the embossed structure is molded.
- the particular advantage is that, unlike in shim systems, no images of weld seams are formed in the substrate running on the sleeve.
- the embossed structure can also be seamless, i.e. the embossed structure does not have any seams or the like, but is molded directly into the embossed sleeve.
- a further embodiment of the invention provides that the structure embossing of the substrate takes place in the roll-to-roll process (“thermal R2R embossing”) or by static embossing.
- the embossing sleeve comprises a hollow cylindrical body which is provided on its outer surface with a coating in which an embossing structure is formed, the coating being a first coating layer of nickel with a thickness of 120-180 ⁇ m , a second cladding layer made of copper with a thickness of 250-310 ⁇ m; and a third coating layer of chromium with a thickness of 15-25 ⁇ m. It has been found that a sleeve with such a layer structure optimally transfers the heat that is introduced into the sleeve via the heating device in the mandrel carrying the sleeve or the base cylinder core into the substrate.
- a method for producing the embossing sleeve described herein provides that a hollow cylindrical blank is provided, on the outer jacket surface of which a coating is electroplated in several steps. This includes the galvanic build-up of a first coat of nickel with a layer thickness of 120-180 ⁇ m, the galvanic build-up of a second coat of copper with a layer thickness of 250-310 ⁇ m and the galvanic build-up of a third coat in the form of a chrome layer with a layer thickness from 15-25 ⁇ m. In addition, an embossed structure is introduced into the coating.
- the three coat layers are applied one after the other, whereby advantageous intermediate layers are not excluded.
- the introduction of an embossed structure into the coating can take place after the application of the three cladding layers or in an intermediate step.
- the embossed structure can be molded into the second jacket layer before the embossed sleeve is chrome-plated.
- the embossing sleeve blank is shaped like a sleeve and can be shaped like a straight circular cylinder with a through opening along its axis.
- the embossed structure can be introduced into the coating using various methods, for example by means of etching (e.g. chemical or plasma etching), laser ablation (e.g. using pico or nano lasers), lithographic methods (e.g. electron beam lithography), engraving, galvanic methods, and / or erosion .
- etching e.g. chemical or plasma etching
- laser ablation e.g. using pico or nano lasers
- lithographic methods e.g. electron beam lithography
- engraving e.g. electron beam lithography
- galvanic methods e.g., galvanic methods, and / or erosion .
- the thickness of the nickel layer is in the range of 120-180 ⁇ m, the thickness of the copper layer in the range of 250-310 ⁇ m and the thickness of the chromium layer in the range of 15-25 ⁇ m. Even better results can be achieved if the thickness of the nickel layer is in the range of 140-160 ⁇ m, the thickness of the copper layer is in the range of 270-290 ⁇ m and the thickness of the chromium layer is in the range of 18-22 ⁇ m.
- a nickel layer is 150 ⁇ m thick, the copper layer is 280 ⁇ m thick and the chromium layer is 20 ⁇ m thick.
- the jacket layers are applied to the sleeve blank in the order in which they are numbered, i.e. the nickel layer is first applied to the blank cylinder. In a further step, the copper layer is applied. The chrome layer then encloses the first and second coating layers and serves as a protective chrome plating.
- the embossed structure can be molded into the chrome layer. That means that the embossing structure is only in the embossing sleeve molded in when all jacket layers have been applied to the blank.
- the embossed structure can be a nanostructure in the chromium layer with a structure depth of, for example, 100 nm to 500 nm, preferably 100 nm to 200 nm, more preferably 120 nm to 150 nm.
- the structure depth is to be understood as the depth of the embossed structure introduced into the respective layer relative to the surface of the respective layer.
- an embossed structure preferably in the form of a microstructure, can be introduced into the copper layer before the chrome layer is applied.
- the chrome layer which is applied in a further process step, also serves as a protective chrome plating for the embossed structure in the copper layer.
- the depth of the embossed structure does not have to be limited to the copper layer, but can extend to the nickel layer.
- the microstructure preferably has a structure depth of 10 ⁇ m to 150 ⁇ m relative to the surface of the chrome layer surrounding the structure.
- thermal structure embossing or hot embossing in the context of the invention refers to a method in which a prefabricated structure on a stamp is transferred to the substrate to be embossed under the influence of heat.
- the structure embossing of the substrate is preferably carried out in the roll-to-roll process at embossing surface temperatures of 50 ° to 130 ° C.
- a suitable transfer film consists, for example, of thermoplastic material.
- the material of the transfer film can be selected, for example, from polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polystyrene, polyester, polycarbonate, cellophane.
- Others too Plastics such as bio-based plastics, for example polycactide, cellulose acetates and starch blends, can be used as the material of the transfer film.
- Preferred plastics are cellulose acetates, such as cellulose diacetate or cellulose triacetate.
- Composite materials of different foils or foil / paper are also suitable for the transfer foils.
- the connection of two materials to produce a composite material can be done, for example, by gluing using dispersion, LF or LH adhesives, co-extrusion or using ultrasound.
- the structured transfer foils can be transparent or opaque.
- the thickness of the substrate is preferably 10 ⁇ m to 250 ⁇ m. Most preferred is a substrate thickness between 50 ⁇ m and 90 ⁇ m so that a sufficient balance between flexibility and rigidity is achieved in order to be used in the method according to the invention.
- the substrate can also have a thermoreactive adhesive layer, for example made of EVA / PE.
- Another embodiment of the invention provides that the substrate is guided between the surface of the embossing sleeve and the surface of a heated impression cylinder.
- the embossing surface and the substrate lying on it are pressed against each other by at least one other roller, here a counter-pressure cylinder, similar to a counter-pressure roller, ie the substrate is pressed against the heated embossing surface and the structure of the embossing surface is embossed into the substrate.
- the impression cylinder is also heated, so that the heat in the impression cylinder is transferred into the substrate. This allows the substrate temperature to be better adjusted for the embossing process.
- a further embodiment of the invention provides that the counter-pressure cylinder or the counter-pressure roller is also designed as a flexible and easily exchangeable sleeve system, the counter-pressure cylinder being designed as a counter-pressure sleeve in the form of a sleeve designed as an interchangeable unit, which against at least one other counter-pressure sleeve is designed to be exchangeable, wherein the counterpressure sleeve can be clamped for assembly on a mandrel that has been retracted into the counterpressure sleeve.
- a further embodiment of the invention therefore provides that the hardness of the surface of the impression cylinder is set as a function of the substrate material by mounting an impression sleeve with the corresponding surface hardness.
- the counterpressure sleeve is heated via the clamping system, for example by means of a heating coil or the like that is built into the clamping mandrel.
- the substrate is heated by a temperature control device before it is guided over the embossing surface.
- the temperature control of the substrate can be done, for example, by a separate temperature control roller, which is arranged in the direction of travel of the substrate in front of the embossing sleeve.
- the substrate is preheated by means of the temperature control roller and can be brought to or near the target temperature. In this way, an embossed image can be generated with high repeat accuracy, especially at high speeds of several hundred meters per minute.
- the invention further comprises a seamless embossed sleeve as described herein in a plurality of embodiments.
- the invention comprises a system for thermal structural embossing of substrates by means of sleeve technology, comprising an embossing sleeve, in particular as described herein in a number of embodiments, in the form of a sleeve designed as an interchangeable unit, which is designed to be exchangeable for at least one other embossing sleeve, the Embossing sleeve for assembly in an embossing system can be clamped onto a mandrel inserted into the sleeve, and a counter-pressure cylinder, also in the form of a sleeve designed as an interchangeable unit, in particular as described herein, which is designed to be exchangeable for at least one other counter-pressure sleeve, the counter-pressure sleeve for Assembly can be clamped onto a mandrel that has been retracted into the counterpressure sleeve.
- an embossing sleeve in particular as described herein in
- Embossing sleeve and counterpressure sleeve are arranged in such a way that the substrate is guided between the two sleeves during embossing.
- the embossing sleeve and preferably also the counterpressure sleeve are heated by a heating device in the respective mandrels, that is, the heat is transferred from one mandrel via the inside of the embossing sleeve into the embossing sleeve and heat can also be transferred from the other mandrel via the inside of the counterpressure sleeve into the counterpressure sleeve be entered.
- the respective Mandrels in thermally conductive contact with the inside of the embossing sleeve or the counterpressure sleeve and heats the component from the inside.
- the system preferably also has the temperature control device described above for pre-temperature control of the substrate.
- the sleeve of the embossing sleeve and / or the counterpressure sleeve has an inner jacket, i.e. an inner surface which tapers conically in the direction from one end of the sleeve to the other end of the sleeve.
- the sleeve of the embossing sleeve and / or the counterpressure sleeve has an inner jacket, i.e. an inner surface which is cylindrical from one end of the sleeve to the other end of the sleeve.
- Figure 1 shows an embossing sleeve (embossing cylinder) 1 in the form of a sleeve, ie the embossing sleeve 1 has a hollow cylindrical body which extends along an axis 2.
- An embossed structure 4 is molded into the embossing surface 3 and extends over several sections of the embossing sleeve 1. For reasons of illustration, only part of the embossed structure 4 is shown.
- the embossed structure 4 has a number of 3-dimensional structural elements 5 molded into the embossed surface 3, for example in the form of motifs, holograms, numbers, letters or functional elements.
- the outer surface of the embossed sleeve is flat throughout and has no weld seams or the like that impair the embossed image in the substrate to be embossed.
- the embossing sleeve is designed as an interchangeable unit and can be exchanged for other embossing sleeves in the embossing device.
- a mandrel is pushed into the embossing sleeve designed as a sleeve (shown by the arrow) and the sleeve is clamped on this with its inner surface 6.
- the embossing sleeve 1 installed on the tensioning system can then revolve in the manner of a solid roller and mold the embossed image in a substrate web running on the outside of the embossing sleeve.
- the inner surface of the embossing sleeve 1 can taper in the direction of the axis 2 from one end of the sleeve towards the other end of the sleeve. But it can also be continuously cylindrical.
- Figure 2 shows the embossed sleeve 1 Figure 1 in a cross-sectional view, ie in the viewing direction along the axis 2 ( Figure 1).
- the representation of the cross section of the embossing sleeve in the Figure 2 is not true to scale, but is only intended to show the schematic structure of the embossing sleeve.
- a hollow cylindrical blank 7, i.e. also sleeve-shaped, is first provided.
- a coating is then built up galvanically on the lateral surface 8 of the blank 7 in several stages.
- a first cladding layer 9 made of nickel is built up on the blank 7 by electroplating.
- a second cladding layer 10 made of copper is galvanically built up on the first cladding layer 9.
- a third galvanically built-up cladding layer 11 made of chromium completes the coating.
- the thickness of the first cladding layer is approximately 120-180 ⁇ m.
- the thickness of the second cladding layer is approximately 250-310 ⁇ m.
- the thickness of the third cladding layer is approximately 15-25 ⁇ m.
- Figure 3 shows in the representation a) in a cross-sectional view, similar to FIG Figure 2 , a section of the wall of an embossing sleeve 1 according to a further embodiment of the invention.
- the first cladding layer 9 made of nickel, the second cladding layer 10 made of copper and the third cladding layer 11 made of chromium are applied to the blank 7.
- An embossed structure 4 in the form of a nanostructure with structural elements 5 is molded into the surface of the chrome plating 11 by means of laser engraving. The embossed structure 4 was introduced after the third coating layer 11 made of chrome had been applied.
- a further embodiment of the invention in which first the first cladding layer 9 made of nickel was applied to the blank 7.
- the second cladding layer 10 made of copper was then applied to the first cladding layer 9 made of nickel.
- a microstructure as an embossed structure 4 with corresponding structural elements 5 was molded into the outside of the second cladding layer 10 made of copper.
- the chrome plating 11 was applied to the outer surface of the second cladding layer 10 made of copper.
- the embossed structure 4 introduced into the second cladding layer 10 made of copper with the corresponding structural elements 5 is also formed on the outer surface of the third cladding layer 11 made of chrome after the protective chrome plating has been applied.
- embossed structures in the Figures 3a and 3b can also be combined as desired, so nano- and microstructures can be formed on the embossing sleeve 1.
- Figure 4 shows schematically a system with a sleeve-like embossing sleeve 1 and a counter-pressure cylinder in the form of a likewise sleeve-like counter-pressure sleeve 12.
- the embossing sleeve 1 and the counter-pressure sleeve 12 are clamped on a mandrel 13, 14 retracted into the respective sleeve and rotate in the circumferential direction.
- the mandrels are only indicated by a cross and have heating devices (not shown) by means of which the respective sleeve 1, 12 is heated from the inside.
- the system further comprises a temperature control roller 15 for preheating a substrate 16 in web form to be embossed in the system.
- the illustration shows only part of the system.
- the substrate web 16 is unwound from a roll (not shown) and initially guided over the temperature control roller 15.
- the substrate is preheated there.
- the substrate is then passed onto the embossing surface 3 of the embossing sleeve and between the surfaces of the embossing sleeve 1 and counterpressure sleeve 12.
- There the substrate web 16 is embossed under the influence of heat and counter pressure. After the embossing, the substrate is led away from the embossing sleeve 1 and can be wound up again on a roll.
- the embossed sleeve 1 can be removed from the mandrel 13 and replaced by another embossed sleeve with a different embossed image.
- the counterpressure sleeve 12 can be exchanged for another counterpressure sleeve with a different surface hardness if a different surface hardness is necessary for the impression cylinder.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Strukturprägen von Substraten mit einem Prägezylinder, wobei das Substrat (16) beim Prägen entlang einer beheizten Prägeoberfläche (3) des Prägezylinders geführt wird, um die Struktur einer in der Prägeoberfläche eingeformten Prägestruktur (4) in das Substrat (16) zu formen. Der Prägezylinder ist ein Prägesleeve (1) in Form einer als Wechseleinheit konzipierten Hülse und ist gegen zumindest einen anderen Prägesleeve austauschbar ausgebildet, wobei der Prägesleeve zur Montage in einem Prägesystem auf einen in die Hülse eingefahrenen Spanndorn (13) aufspannbar ist und wobei die Prägeoberfläche (3) des Prägesleeves (3) über den Spanndorn (13) beheizt wird.The invention relates to a method for the thermal structure embossing of substrates with an embossing cylinder, the substrate (16) being guided along a heated embossing surface (3) of the embossing cylinder during embossing in order to transfer the structure of an embossing structure (4) formed in the embossing surface into the substrate ( 16) to shape. The embossing cylinder is an embossing sleeve (1) in the form of a sleeve designed as an interchangeable unit and is designed to be exchangeable for at least one other embossing sleeve, the embossing sleeve being able to be clamped onto a mandrel (13) inserted into the sleeve for assembly in an embossing system, and the embossing surface ( 3) of the embossing sleeve (3) is heated via the mandrel (13).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Strukturprägen von insbesondere flexiblen Substraten, wie Transferfolie oder dergleichen, wobei das Substrat insbesondere bahnartig entlang einer beheizten Prägeoberfläche des Prägezylinders geführt wird, um die Struktur einer in der Prägeoberfläche eingeformten Prägestruktur in das Substrat zu formen. Ferner betrifft die Erfindung einen Prägezylinder in Form eines Prägesleeves und ein System zum thermischen Strukturprägen von Substraten.The invention relates to a method for thermal structure embossing of particularly flexible substrates, such as transfer film or the like, the substrate being guided in particular in a web-like manner along a heated embossing surface of the embossing cylinder in order to form the structure of an embossed structure formed in the embossing surface in the substrate. The invention also relates to an embossing cylinder in the form of an embossing sleeve and a system for thermal structure embossing of substrates.
Die wirtschaftliche, aber auch flexible Herstellung von strukturierten Oberflächen rückt mehr und mehr in den Fokus moderner Produktentwicklungen. Die flexible Gestaltung von Oberflächen wird von vielen industriellen Bereichen gefordert, beispielsweise von der Möbelindustrie zur Veredlung von Küchenfronten oder Möbelplatten oder von der Bauindustrie zur Veredlung von Baustoffen. Eine zentrale Rolle nimmt hierbei die Beschichtung und Veredlung von insbesondere flächigen Werkstückoberflächen ein, wie beispielsweise Spanplatten, MDF-Platten für Möbel, Fußböden, Innen- und Außenverkleidungen oder dergleichen. Durch Nachbildung von Strukturen in der Werkstückoberfläche lassen sich effektvolle und haptisch ansprechende Oberflächen generieren.The economical, but also flexible production of structured surfaces is moving more and more into the focus of modern product developments. The flexible design of surfaces is required by many industrial sectors, for example by the furniture industry for the finishing of kitchen fronts or furniture panels or by the construction industry for the finishing of building materials. The coating and finishing of, in particular, flat workpiece surfaces, such as chipboard, MDF panels for furniture, floors, interior and exterior cladding or the like, play a central role here. By replicating structures in the workpiece surface, effective and haptically appealing surfaces can be generated.
Zur Herstellung diverser Oberflächenstrukturen stehen verschiedene Verfahren zu Verfügung, die auf das Beschichtungsverfahren der Oberfläche abgestimmt sind. Dabei kommen unterschiedlich hergestellte Prägematrizen zum Einsatz, die z.B. im Wege der Melaminverpressung in die Oberflache gedrückt werden oder aber auch eine Struktur, die auf die Oberflache lackiert wird.Various processes are available for the production of various surface structures, which are tailored to the coating process of the surface. Different manufactured embossing matrices are used, for example in the Ways of pressing melamine into the surface or a structure that is painted onto the surface.
Wesentlich feinere Strukturen lassen sich durch die Verwendung von insbesondere flexiblen Prägesubstraten, wie beispielsweise Transferfolie, erzielen. Derartige Transfersubstrate besitzen eine Oberfläche mit einer räumlichen Struktur, die als Prägestempel für die Oberfläche eines Zielsubstrats dient. Hierzu wird zunächst die Oberfläche des Zielsubstrats mit einer härtbaren Beschichtung (z.B. Harz oder Lack) beschichtet. Im Anschluss wird vor der Aushärtung der Beschichtung das strukturierte Substrat, z.B. die Transferfolie, aufgebracht, so dass die Prägestruktur des Substrats in Kontakt mit der beschichteten Oberfläche des Zielsubstrats steht. Nach dem Aushärten der beschichteten Oberfläche ist die Struktur des Substrats in die Oberfläche eingeprägt. Es verbleibt so ein Negativbild der Oberflächenstruktur des Substrats auf der Zieloberfläche.Much finer structures can be achieved through the use of, in particular, flexible embossing substrates, such as, for example, transfer foil. Such transfer substrates have a surface with a three-dimensional structure that serves as an embossing stamp for the surface of a target substrate. For this purpose, the surface of the target substrate is first coated with a hardenable coating (e.g. resin or lacquer). Then, before the coating hardens, the structured substrate, e.g. the transfer film, is applied so that the embossed structure of the substrate is in contact with the coated surface of the target substrate. After the coated surface has cured, the structure of the substrate is embossed into the surface. This leaves a negative image of the surface structure of the substrate on the target surface.
Insbesondere die nur beispielhaft genannte Verwendung von Transferfolie als mögliches Substrat bietet die Möglichkeit, sehr feine Strukturen im Mikro- oder Nanobereich auf Werkstückoberflächen zu realisieren. Auch vielfältige funktionale Oberflächen wie beispielsweise Lotosblüteneffekte, Mottenaugeneffekte oder Haifischhauteffekte, Lichtlenkungseffekte, Retroreflexion, Backlight-Effekte, z.B. mit einer Profiltiefe von 100 nm bis 50 µm, können so erzeugt werden.In particular, the use of transfer film as a possible substrate, mentioned only as an example, offers the possibility of realizing very fine structures in the micro or nano range on workpiece surfaces. Diverse functional surfaces such as lotus blossom effects, moth eye effects or shark skin effects, light control effects, retroreflection, backlight effects, e.g. with a profile depth of 100 nm to 50 µm, can be created in this way.
Das Einbringen der Prägestruktur in das Substrat erfolgt durch Heißprägen ("thermisches Strukturprägen"). Bekannt ist, hierzu eine erhitze Prägewalze in Kontakt mit dem Substrat zu bringen und diese entlang der Prägewalze laufen zu lassen, wobei die Prägewalze dabei rotiert. Dieser Prozess findet in der Regel im R2R-Verfahren (Rolle-zu-Rolle-Verfahren) statt. Bekannte Systeme, wie sie beispielsweise in der
Kennzeichnend für thermische Strukturprägeverfahren sind der hohe technische und finanzielle Aufwand, um das Prägebild zu ändern. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung vorzuschlagen, mit der sich strukturierte Substrate durch thermisches Strukturprägen in kosteneffizienter und flexibler Weise produzieren lassen.Characteristic for thermal structure embossing processes are the high technical and financial effort required to change the embossing image. It is therefore the object of the present invention to propose a solution with which structured substrates can be produced in a cost-efficient and flexible manner by thermal structure embossing.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch einen Prägesleeve mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und durch ein System zum thermischen Strukturprägen von Substraten mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The object on which the invention is based is achieved by a method with the features of
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass der Prägezylinder als wechselbarer Prägesleeve ausgebildet ist, d.h. der Prägezylinder ist in Form einer als Wechseleinheit konzipierten Hülse vorgesehen, die gegen zumindest eine andere Prägeform in Form einer Hülse ausgetauscht werden kann. Derartige hülsenförmige Prägezylinder sind unter dem Namen "Sleeves" bekannt und finden bereits im Flexodruck Verwendung. Sleeve-Systeme umfassen einen in der Prägeanlage angeordneten expandierenden Spanndorn auf den der Sleeve, also die Hülse, aufgeschoben und durch Expansion des Spanndorns festgespannt wird. Ein solcher Spanndorn bildet einen Basiskern oder Trägerkern. Im Gegensatz zu regulären Walzensystemen sind hier die Basiskerne in der Prägeanlage fest installiert. Auf der Außenseite des Sleeves ist das Prägebild eingeformt, so dass der auf dem Basiskern installierte Sleeve nach Art einer Vollkörperwalze umläuft. Für einen Wechsel des Prägebildes ist lediglich der Sleeve auszuwechseln. Erfindungsgemäß wird die Prägeoberfläche des Prägesleeves über den Spanndorn beheizt. Hierfür kann in dem Spanndorn oder einem Basiszylinderkern eine Temperiereinrichtung, beispielsweise in Form einer Heizspirale oder dergleichen, vorgesehen sein. Von der Heizspirale wird die Wärme über den Spanndorn oder den Basiszylinderkern in die Hülse abgegeben und dort in die Prägeoberfläche geleitet, d.h. die Wärme wird von dem Spanndorn über die Innenseite des Prägesleeves in den Prägesleeve eingetragen. Der Spanndorn beheizt den Prägesleeve also von innen.The method according to the invention provides that the embossing cylinder is designed as an exchangeable embossing sleeve, i.e. the embossing cylinder is provided in the form of a sleeve designed as an exchangeable unit, which can be exchanged for at least one other embossing form in the form of a sleeve. Such sleeve-shaped embossing cylinders are known under the name "Sleeves" and are already used in flexographic printing. Sleeve systems include an expanding mandrel arranged in the embossing system, onto which the sleeve, that is the sleeve, is pushed and clamped by expanding the mandrel. Such a mandrel forms a base core or carrier core. In contrast to regular roller systems, the basic cores are permanently installed in the embossing system. The embossed image is formed on the outside of the sleeve so that the sleeve installed on the base core runs around like a solid roller. To change the embossed image, only the sleeve needs to be exchanged. According to the invention, the embossing surface of the embossing sleeve is heated via the mandrel. For this purpose, a temperature control device, for example in the form of a heating spiral or the like, can be provided in the mandrel or a basic cylinder core. The heat is emitted from the heating coil via the mandrel or the basic cylinder core into the sleeve and there it is conducted into the embossing surface, i.e. the heat is transferred from the mandrel via the inside of the embossing sleeve into the embossing sleeve. The mandrel heats the embossing sleeve from the inside.
Es hat sich herausgestellt, dass die Sleeve-Technologie erfolgreich beim thermischen Strukturprägen eingesetzt werden kann und eine Reihe von technischen Vorteilen mit sich bringt. So geht der Einsatz der Sleeve-Technologie beim thermischen Strukturprägen einher mit einer erheblichen Senkung der Prozesskosten und erhöhter Flexibilität. Mittels der Sleeve-Technologie lassen sich Mikro- und Nanostrukturen in Substrate, wie beispielsweise Transferfolie, mit hoher Genauigkeit thermisch einprägen. In diesem Sinne sieht eine weitere Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Prägestruktur Mikro- und/oder Nanostrukturen umfasst.It has been found that sleeve technology can be used successfully in thermal structure embossing and has a number of technical advantages. The use of sleeve technology in thermal structure embossing goes hand in hand with a significant reduction in process costs and increased flexibility. With sleeve technology, micro and nanostructures can be built into substrates, such as transfer foils, with high accuracy thermal imprint. In this sense, a further embodiment of the invention provides that the embossed structure comprises micro- and / or nanostructures.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Prägesleeve nahtlos ausgebildet ist. Ein nahtloser, bzw. schweißnahtloser Sleeve ist nach Art einer Hülse geformt und weist eine nahtlose, insbesondere durchgängig glatte Oberflächenstruktur auf, in die die Prägestruktur eingeformt ist. Der Vorteil besteht insbesondere darin, dass anders als bei Shim-Systemen keine Abbildungen von Schweißnähten in dem auf dem Sleeve ablaufenden Substrat eingeformt werden. Insbesondere kann auch die Prägestruktur nahtlos ausgebildet sein, d.h. auch die Prägestruktur weist keinerlei Nähte oder dergleichen auf, sondern ist unmittelbar in den Prägesleeve eingeformt.Another embodiment of the invention provides that the embossing sleeve is seamless. A seamless or weldless sleeve is shaped like a sleeve and has a seamless, in particular continuously smooth surface structure into which the embossed structure is molded. The particular advantage is that, unlike in shim systems, no images of weld seams are formed in the substrate running on the sleeve. In particular, the embossed structure can also be seamless, i.e. the embossed structure does not have any seams or the like, but is molded directly into the embossed sleeve.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Strukturprägen des Substrats im Rolle-zu-Rolle-Verfahren erfolgt ("thermischen R2R Prägung") oder durch statisches Prägen.A further embodiment of the invention provides that the structure embossing of the substrate takes place in the roll-to-roll process (“thermal R2R embossing”) or by static embossing.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Prägesleeve einen hohlzylinderförmigen Körper umfasst, der auf seiner äußeren Oberfläche mit einer Beschichtung versehen ist, in die eine Prägestruktur eingeformt ist, wobei die Beschichtung eine erste Mantelschicht aus Nickel mit einer Dicke von 120-180 µm, eine zweite Mantelschicht aus Kupfer mit einer Dicke von 250-310 µm; und eine dritte Mantelschicht aus Chrom mit einer Dicke von 15-25 µm aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass ein Sleeve mit einem derartigen Schichtaufbau die Wärme, die über die Heizeinrichtung in dem den Sleeve tragenden Spanndorn oder dem Basiszylinderkern in den Sleeve eingetragen wird, optimal in das Substrat überträgt.Another embodiment of the invention provides that the embossing sleeve comprises a hollow cylindrical body which is provided on its outer surface with a coating in which an embossing structure is formed, the coating being a first coating layer of nickel with a thickness of 120-180 μm , a second cladding layer made of copper with a thickness of 250-310 µm; and a third coating layer of chromium with a thickness of 15-25 µm. It has been found that a sleeve with such a layer structure optimally transfers the heat that is introduced into the sleeve via the heating device in the mandrel carrying the sleeve or the base cylinder core into the substrate.
Ein Verfahren zum Herstellen des hierin beschriebenen Prägesleeves sieht vor, dass ein hohlzylinderförmiger Rohling bereitgestellt wird, auf dessen äußere Mantelfläche in mehreren Schritten eine Beschichtung galvanisch aufgetragen wird. Dies umfasst das galvanische Aufbauen einer eine ersten Mantelschicht aus Nickel mit einer Schichtdicke von 120-180 µm, das galvanische Aufbauen einer zweiten Mantelschicht aus Kupfer mit einer Schichtdicke von 250-310 µm und das galvanische Aufbauen einer dritten Mantelschicht in Form einer Chromschicht mit einer Schichtdicke von 15-25 µm. Zudem wird eine Prägestruktur in die Beschichtung eingebracht.A method for producing the embossing sleeve described herein provides that a hollow cylindrical blank is provided, on the outer jacket surface of which a coating is electroplated in several steps. This includes the galvanic build-up of a first coat of nickel with a layer thickness of 120-180 µm, the galvanic build-up of a second coat of copper with a layer thickness of 250-310 µm and the galvanic build-up of a third coat in the form of a chrome layer with a layer thickness from 15-25 µm. In addition, an embossed structure is introduced into the coating.
Die drei Mantelschichten werden nacheinander aufgebracht, wobei vorteilhafte Zwischenschichten nicht ausgeschlossen sind. Das Einbringen einer Prägestruktur in die Beschichtung kann nach dem Aufbringen der drei Mantelschichten oder in einem Zwischenschritt erfolgen. Beispielsweise kann die Prägestruktur in die zweite Mantelschicht eingeformt werden, bevor der Prägesleeve verchromt wird. Der Prägesleeverohling ist nach Art einer Hülse geformt und kann wie ein gerader Kreiszylinder mit einer durchgehenden Öffnung entlang seiner Achse geformt sein.The three coat layers are applied one after the other, whereby advantageous intermediate layers are not excluded. The introduction of an embossed structure into the coating can take place after the application of the three cladding layers or in an intermediate step. For example, the embossed structure can be molded into the second jacket layer before the embossed sleeve is chrome-plated. The embossing sleeve blank is shaped like a sleeve and can be shaped like a straight circular cylinder with a through opening along its axis.
Es hat sich herausgestellt, dass sich aufgrund des oben skizzierten Schichtaufbaus des Prägesleeves flexible Substratbahnen effizient modifizieren lassen und ein besonders unter thermischen Belastungen beständiges und hochgenaues Prägebild in dem Substrat erzeugt wird. Gerade im Rahmen der thermischen R2R Prägung mittels Sleevetechnologie lassen sich konstant hochgenaue Nano- und Mikrostrukturen, z.B. haptische Oberflächen, optische Effektoberflächen, Sicherheitsmerkmale, wie beispielsweise Prägehologramme, oder funktionale Oberflächen aus dem Bereich der Bionik ohne sichtbare Mängel auch in größeren Arbeitsbreiten, z.B. größer als 1,50 m, produzieren. Unter dem Begriff Struktur ist in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine dreidimensionale Struktur zu verstehen. Die dreidimensionale Struktur kann beispielsweise in Form von Motiven, Hologrammen, Zahlen, Buchstaben oder als Funktionsoberfläche (z.B. als Lotuseffekt-Oberfläche) vorliegen.It has been found that, due to the layer structure of the embossing sleeve outlined above, flexible substrate webs can be efficiently modified and a highly precise embossed image that is particularly stable under thermal loads is generated in the substrate. Especially in the context of thermal R2R embossing using sleeve technology, consistently high-precision nano and microstructures, e.g. haptic surfaces, optical effect surfaces, security features such as embossed holograms, or functional surfaces from the field of bionics without visible defects, even in larger working widths, e.g. larger than 1.50 m, produce. The term structure is to be understood in connection with the present invention as a three-dimensional structure. The three-dimensional structure can be present, for example, in the form of motifs, holograms, numbers, letters or as a functional surface (for example as a lotus effect surface).
Die Prägestruktur kann mittels verschiedener Verfahren in die Beschichtung eingebracht werden, beispielsweise mittels Ätzen (z.B. chemisches oder Plasmaätzen), Laserabtrag (z.B. unter Einsatz von Pico- oder Nanolasern), lithographische Verfahren (z.B. Elektronenstrahllithographie), Gravieren, galvanische Verfahren, und/oder Erosion.The embossed structure can be introduced into the coating using various methods, for example by means of etching (e.g. chemical or plasma etching), laser ablation (e.g. using pico or nano lasers), lithographic methods (e.g. electron beam lithography), engraving, galvanic methods, and / or erosion .
Wie oben angezeigt, liegt die Dicke der Nickelschicht im Bereich von 120-180 µm, die Dicke der Kupferschicht im Bereich von 250-310 µm und die Dicke der Chromschicht im Bereich von 15-25 µm. Noch bessere Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Dicke der Nickelschicht im Bereich von 140-160 µm, die Dicke der Kupferschicht im Bereich von 270-290 µm und die Dicke der Chromschicht im Bereich von 18-22 µm liegt. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist eine Nickelschicht eine Dicke von 150 µm, die Kupferschicht eine Dicke von 280 µm und die Chromschicht eine Dicke von 20 µm auf.As indicated above, the thickness of the nickel layer is in the range of 120-180 µm, the thickness of the copper layer in the range of 250-310 µm and the thickness of the chromium layer in the range of 15-25 µm. Even better results can be achieved if the thickness of the nickel layer is in the range of 140-160 µm, the thickness of the copper layer is in the range of 270-290 µm and the thickness of the chromium layer is in the range of 18-22 µm. In a particularly preferred embodiment of the invention, a nickel layer is 150 μm thick, the copper layer is 280 μm thick and the chromium layer is 20 μm thick.
Grundsätzlich ist vorgesehen, dass die Mantelschichten in der Reihenfolge ihrer Nummerierung auf den Sleeverohling aufgebacht werden, d.h. es wird zunächst die Nickelschicht auf den Rohlingzylinder aufgebacht. In einem weiteren Schritt wird die Kupferschicht aufgebracht. Die Chromschicht umschließt dann die erste und zweite Mantelschicht und dient als Schutzverchromung.Basically, it is provided that the jacket layers are applied to the sleeve blank in the order in which they are numbered, i.e. the nickel layer is first applied to the blank cylinder. In a further step, the copper layer is applied. The chrome layer then encloses the first and second coating layers and serves as a protective chrome plating.
Die Prägestruktur kann in die Chromschicht eingeformt werden. Das bedeutet die, Prägestruktur wird erst in den Prägesleeve eingeformt, wenn alle Mantelschichten auf den Rohling aufgebracht worden sind. So kann die Prägestruktur eine Nanostruktur in der Chromschicht mit einer Strukturtiefe von beispielsweise 100 nm bis 500 nm, vorzugsweise 100 nm bis 200 nm, bevorzugter 120 nm bis 150 nm sein. Als Strukturtiefe ist diesbezüglich die Tiefe der in die jeweilige Schicht eingebrachten Prägestruktur relativ zur Oberfläche der jeweiligen Schicht zu verstehen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Prägestruktur, vorzugsweise in Form einer Mikrostruktur, in die Kupferschicht eingebracht werden, bevor die Chromschicht aufgebracht wird. Die Chromschicht, die in einem weiteren Prozessschritt aufgebacht wird, dient außerdem als Schutzverchromung für die Prägestruktur in der Kupferschicht. Die Tiefe der Prägestruktur muss sich bei dieser Ausführungsform im Übrigen nicht auf die Kupferschicht beschränken sondern kann sich bis zur Nickelschicht erstrecken. Vorzugsweise hat die Mikrostruktur eine Strukturtiefe von 10 µm bis 150 µm relativ zur Oberfläche der die Struktur umgebenden Chromschicht.The embossed structure can be molded into the chrome layer. That means that the embossing structure is only in the embossing sleeve molded in when all jacket layers have been applied to the blank. For example, the embossed structure can be a nanostructure in the chromium layer with a structure depth of, for example, 100 nm to 500 nm, preferably 100 nm to 200 nm, more preferably 120 nm to 150 nm. In this regard, the structure depth is to be understood as the depth of the embossed structure introduced into the respective layer relative to the surface of the respective layer. Alternatively or additionally, an embossed structure, preferably in the form of a microstructure, can be introduced into the copper layer before the chrome layer is applied. The chrome layer, which is applied in a further process step, also serves as a protective chrome plating for the embossed structure in the copper layer. In this embodiment, the depth of the embossed structure does not have to be limited to the copper layer, but can extend to the nickel layer. The microstructure preferably has a structure depth of 10 μm to 150 μm relative to the surface of the chrome layer surrounding the structure.
Wie bereits erläutert, bezieht sich thermisches Strukturprägen oder Heißprägen im Sinne der Erfindung auf ein Verfahren, bei dem eine vorgefertigte Struktur auf einem Stempel unter Einfluss von Wärme auf das zu prägende Substrat übertragen wird. Vorzugsweise erfolgt das Strukturprägen des Substrats im Rahmen der Erfindung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren bei Prägeoberflächentemperaturen von 50° bis 130° C.As already explained, thermal structure embossing or hot embossing in the context of the invention refers to a method in which a prefabricated structure on a stamp is transferred to the substrate to be embossed under the influence of heat. In the context of the invention, the structure embossing of the substrate is preferably carried out in the roll-to-roll process at embossing surface temperatures of 50 ° to 130 ° C.
Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren für eine Vielzahl von Substratarten verwendbar. Hervorzuheben ist jedoch, dass sich das Verfahren beim Heißprägen von Transferfolie als besonderes effizient herausgestellt hat. Geeignete Transferfolie besteht beispielsweise aus thermoplastischem Kunststoff. Das Material der Transferfolie kann beispielsweise ausgewählt sein aus Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyester, Polycarbonat, Cellophan. Auch andere Kunststoffe, wie bio-basierte Kunststoffe, z.B. Polycactid, Celluloseacetate und Stärkeblends können als Material der Transferfolie verwendet werden. Bevorzugte Kunststoffe sind Celluloseacetate, wie Cellulosediacetat oder Cellulosetriacetat. Auch Verbundmaterialen verschiedener Folien oder Folie/Papier sind für die Transferfolien geeignet. Die Verbindung von zwei Materialen zur Herstellung eines Verbundmaterials kann beispielsweise durch Verklebung mittels Dispersions-, LF- oder LH-Klebstoffen, Co-Extrusion oder mittels Ultraschall erfolgen. Die strukturierten Transferfolien können transparent oder opak sein.In principle, the method according to the invention can be used for a large number of types of substrates. It should be emphasized, however, that the process has proven to be particularly efficient when hot stamping transfer foil. A suitable transfer film consists, for example, of thermoplastic material. The material of the transfer film can be selected, for example, from polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polystyrene, polyester, polycarbonate, cellophane. Others too Plastics, such as bio-based plastics, for example polycactide, cellulose acetates and starch blends, can be used as the material of the transfer film. Preferred plastics are cellulose acetates, such as cellulose diacetate or cellulose triacetate. Composite materials of different foils or foil / paper are also suitable for the transfer foils. The connection of two materials to produce a composite material can be done, for example, by gluing using dispersion, LF or LH adhesives, co-extrusion or using ultrasound. The structured transfer foils can be transparent or opaque.
Im Falle einer Transferfolie beträgt die Dicke des Substrats vorzugsweise 10 µm bis 250 µm. Am meisten bevorzugt ist eine Substratdicke zwischen 50 µm und 90 µm, damit eine ausreichende Balance zwischen Flexibilität und Steifigkeit erzielt wird, um im erfindungsgemäßen Verfahren Verwendung zu finden. Zur Verbesserung der Steifigkeit kann das Substrat auch eine thermoreaktive Klebstoffschicht, beispielsweise aus EVA/PE, aufweisen.In the case of a transfer film, the thickness of the substrate is preferably 10 μm to 250 μm. Most preferred is a substrate thickness between 50 μm and 90 μm so that a sufficient balance between flexibility and rigidity is achieved in order to be used in the method according to the invention. To improve the rigidity, the substrate can also have a thermoreactive adhesive layer, for example made of EVA / PE.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Substrat zwischen der Oberfläche des Prägesleeves und der Oberfläche eines beheizten Gegendruckzylinders geführt wird. Hierbei werden die Prägeoberfläche und das ihr aufliegende Substrat durch wenigstens eine andere Rolle, hier ein Gegendruckzylinder, ähnlich einer Gegendruckwalze, gegeneinander gedrückt, d.h. das Substrat wird gegen die beheizte Prägeoberfläche gedrückt und die Struktur der Prägeoberfläche wird in das Substrat geprägt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auch der Gegendruckzylinder beheizt wird, so dass die Wärme in dem Gegendruckzylinder in das Substrat übertragen wird. Dadurch lässt sich die Substrattemperatur für den Prägeprozess besser einstellen.Another embodiment of the invention provides that the substrate is guided between the surface of the embossing sleeve and the surface of a heated impression cylinder. Here, the embossing surface and the substrate lying on it are pressed against each other by at least one other roller, here a counter-pressure cylinder, similar to a counter-pressure roller, ie the substrate is pressed against the heated embossing surface and the structure of the embossing surface is embossed into the substrate. According to the invention it is provided that the impression cylinder is also heated, so that the heat in the impression cylinder is transferred into the substrate. This allows the substrate temperature to be better adjusted for the embossing process.
Im Rahmen von thermischen Prägeprozessen kommen oftmals Gegendruckwalzen mit einer flexiblen Oberflächenbeschichtung zum Einsatz. Allerdings lässt sich nicht jedes zu prägende Substrat immer mit der gleichen Oberflächenbeschichtung bzw. Oberflächenhärte effizient verarbeiten. Je nach Substratart wird für den Gegendruckzylinder oder die Gegendruckwalze eine andere Oberflächenhärte verlangt, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Aus diesem Grund sieht eine weitere Ausführungsform der Erfindung vor, dass der Gegendruckzylinder bzw. die Gegendruckwalze ebenfalls als flexibles und leicht austauschbares Sleevesystem ausgestaltet ist, wobei der Gegendruckzylinder als ein Gegendrucksleeve in Form einer als Wechseleinheit konzipierten Hülse ausgebildet ist, der gegen zumindest einen anderen Gegendrucksleeve austauschbar ausgebildet ist, wobei der Gegendrucksleeve zur Montage auf einen in den Gegendrucksleeve eingefahrenen Spanndorn aufspannbar ist. So können unterschiedliche Sleeves mit unterschiedlichen Oberflächen-Shore-Härten bereitgestellt werden, die je nach Bedarf mit wenig Aufwand in einer Prägeanlage montiert werden können, um die für den Prägeprozess geeignete Shore-Härte des Gegendruckzylinders einzustellen, was Kosten senkt und die Flexibilität erhöht. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher eine weitere Ausbildungsform der Erfindung vor, dass die Härte der Oberfläche des Gegendruckzylinders in Abhängigkeit von dem Substratmaterial eingestellt wird, indem ein Gegendrucksleeve mit der entsprechenden Oberflächenhärte montiert wird.In the context of thermal embossing processes, counter pressure rollers with a flexible surface coating are often used. However, not every substrate to be embossed can always be efficiently processed with the same surface coating or surface hardness. Depending on the type of substrate, a different surface hardness is required for the impression cylinder or the impression roller in order to achieve an optimal result. For this reason, a further embodiment of the invention provides that the counter-pressure cylinder or the counter-pressure roller is also designed as a flexible and easily exchangeable sleeve system, the counter-pressure cylinder being designed as a counter-pressure sleeve in the form of a sleeve designed as an interchangeable unit, which against at least one other counter-pressure sleeve is designed to be exchangeable, wherein the counterpressure sleeve can be clamped for assembly on a mandrel that has been retracted into the counterpressure sleeve. Different sleeves with different surface Shore hardnesses can be provided, which can be installed in an embossing system with little effort as required in order to set the Shore hardness of the impression cylinder suitable for the embossing process, which lowers costs and increases flexibility. In the context of the method according to the invention, a further embodiment of the invention therefore provides that the hardness of the surface of the impression cylinder is set as a function of the substrate material by mounting an impression sleeve with the corresponding surface hardness.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Gegendrucksleeve über das Spannsystem beheizt wird, beispielsweise mittels einer Heizspirale oder dergleichen, die im Spanndorn verbaut ist.According to a further embodiment of the invention, the counterpressure sleeve is heated via the clamping system, for example by means of a heating coil or the like that is built into the clamping mandrel.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Substrat durch eine Temperiereinrichtung erwärmt wird, bevor es über die Prägeoberfläche geführt wird. Die Temperierung des Substrats kann beispielsweise durch eine separate Temperierwalze erfolgen, die in Laufrichtung des Substrats vor dem Prägesleeve angeordnet ist. Mittels der Temperierwalze wird das Substrat vorgewärmt und kann auf oder nahe der Zieltemperatur gebracht werden. Auf diese Weise lässt sich ein Prägebild mit hoher Wiederholgenauigkeit erzeugen, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten von mehreren hundert Metern pro Minute.According to a further embodiment of the invention it is provided that the substrate is heated by a temperature control device before it is guided over the embossing surface. The temperature control of the substrate can be done, for example, by a separate temperature control roller, which is arranged in the direction of travel of the substrate in front of the embossing sleeve. The substrate is preheated by means of the temperature control roller and can be brought to or near the target temperature. In this way, an embossed image can be generated with high repeat accuracy, especially at high speeds of several hundred meters per minute.
Die Erfindung umfasst ferner einen nahtlosen Prägesleeve wie er hierin in einer Vielzahl von Ausführungsformen beschrieben ist.The invention further comprises a seamless embossed sleeve as described herein in a plurality of embodiments.
Desweiteren umfasst die Erfindung ein System zum thermischen Strukturprägen von Substraten mittels Sleevetechnologie, umfassend einen Prägesleeve, insbesondere wie er hierin in einer Vielzahl von Ausführungsformen beschrieben ist, in Form einer als Wechseleinheit konzipierten Hülse, der gegen zumindest einen anderen Prägesleeve austauschbar ausgebildet ist, wobei die Prägesleeve zur Montage in einem Prägesystem auf einen in die Hülse eingefahrenen Spanndorn aufspannbar ist, und einen Gegendruckzylinder, ebenfalls in Form einer als Wechseleinheit konzipierten Hülse, insbesondere wie er hierin beschrieben ist, der gegen zumindest einen anderen Gegendrucksleeve austauschbar ausgebildet ist, wobei der Gegendrucksleeve zur Montage auf einen in den Gegendrucksleeve eingefahrenen Spanndorn aufspannbar ist. Prägesleeve und Gegendrucksleeve sind derart angeordnet, dass das Substrat beim Prägen zwischen den beiden Sleeves geführt wird. Der Prägesleeve und vorzugsweise auch der Gegendrucksleeve werden über eine Heizeinrichtung in den jeweiligen Spanndornen beheizt, d.h. die Wärme wird von dem einen Spanndorn über die Innenseite des Prägesleeves in den Prägesleeve eingetragen und Wärme kann auch von dem anderen Spanndorn über die Innenseite des Gegendrucksleeves in den Gegendrucksleeve eingetragen werden. Dazu stehen die jeweiligen Spanndorne in wärmeleitendem Kontakt mit der Innenseite des Prägesleeves bzw. des Gegendrucksleeves und beheizt das Bauteil von innen. Das System verfügt vorzugsweise auch über die oben beschriebene Temperiereinrichtung zum Vortemperieren des Substrats.Furthermore, the invention comprises a system for thermal structural embossing of substrates by means of sleeve technology, comprising an embossing sleeve, in particular as described herein in a number of embodiments, in the form of a sleeve designed as an interchangeable unit, which is designed to be exchangeable for at least one other embossing sleeve, the Embossing sleeve for assembly in an embossing system can be clamped onto a mandrel inserted into the sleeve, and a counter-pressure cylinder, also in the form of a sleeve designed as an interchangeable unit, in particular as described herein, which is designed to be exchangeable for at least one other counter-pressure sleeve, the counter-pressure sleeve for Assembly can be clamped onto a mandrel that has been retracted into the counterpressure sleeve. Embossing sleeve and counterpressure sleeve are arranged in such a way that the substrate is guided between the two sleeves during embossing. The embossing sleeve and preferably also the counterpressure sleeve are heated by a heating device in the respective mandrels, that is, the heat is transferred from one mandrel via the inside of the embossing sleeve into the embossing sleeve and heat can also be transferred from the other mandrel via the inside of the counterpressure sleeve into the counterpressure sleeve be entered. The respective Mandrels in thermally conductive contact with the inside of the embossing sleeve or the counterpressure sleeve and heats the component from the inside. The system preferably also has the temperature control device described above for pre-temperature control of the substrate.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Hülse des Prägesleeves und/oder des Gegendrucksleeves einen Innenmantel, d.h. eine innere Oberfläche auf, die sich in Richtung von einem Ende der Hülse zum anderen Ende der Hülse konisch verjüngt.According to a further embodiment of the invention, the sleeve of the embossing sleeve and / or the counterpressure sleeve has an inner jacket, i.e. an inner surface which tapers conically in the direction from one end of the sleeve to the other end of the sleeve.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Hülse des Prägesleeves und/oder des Gegendrucksleeves einen Innenmantel, d.h. eine innere Oberfläche auf, die von einem Ende der Hülse zum anderen Ende der Hülse zylindrisch ausgebildet ist.According to a further embodiment of the invention, the sleeve of the embossing sleeve and / or the counterpressure sleeve has an inner jacket, i.e. an inner surface which is cylindrical from one end of the sleeve to the other end of the sleeve.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und den Zeichnungen. Es zeigen:
Figur 1- einen Prägesleeve nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung in perspektivischer Ansicht; und
Figur 2- schematisch den Aufbau des Prägesleeves aus
Figur 1 in einer Querschnittansicht; Figur 3- Abschnitte von Prägesleeves nach weiteren Ausführungsformen der Erfindung in Querschnittansichten;
Figur 4- eine Anlage zum thermischen Strukturprägen von Substraten nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
- Figure 1
- an embossing sleeve according to a first embodiment of the invention in a perspective view; and
- Figure 2
- schematically the structure of the embossing sleeve
Figure 1 in a cross-sectional view; - Figure 3
- Sections of embossing sleeves according to further embodiments of the invention in cross-sectional views;
- Figure 4
- a system for thermal structure embossing of substrates according to a further embodiment of the invention.
Der Prägesleeve ist als Wechseleinheit konzipiert und kann in der Prägeeinrichtung gegen andere Prägesleeves ausgetauscht werden. Zur Montage in einer Prägeanlage wird ein Spanndorn in den als Hülse ausgebildeten Prägesleeve geschoben (dargestellt durch Pfeil) und die Hülse wird auf diesem mit ihrer inneren Oberfläche 6 verspannt. Der auf dem Spannsystem installierte Prägesleeve 1 kann dann nach Art einer Vollkörperwalze umlaufen und das Prägebild in einer auf der Außenseite des Prägesleeves ablaufenden Substratbahn einformen. Die innere Oberfläche des Prägesleeve 1 kann sich in Richtung der Achse 2 von einem Ende des Sleeve in Richtung anderes Ende des Sleeve verjüngen. Sie kann aber auch durchgehend zylindrisch ausgebildet sein.The embossing sleeve is designed as an interchangeable unit and can be exchanged for other embossing sleeves in the embossing device. For assembly in an embossing system, a mandrel is pushed into the embossing sleeve designed as a sleeve (shown by the arrow) and the sleeve is clamped on this with its
Zur Herstellung des nahtlosen Prägesleeves wird zunächst ein hohlzylinderförmiger Rohling 7, d.h. ebenfalls hülsenförmig, bereitgestellt. Im Anschluss wird eine Beschichtung auf die Mantelfläche 8 des Rohlings 7 in mehreren Stufen galvanisch aufgebaut. Zunächst wird eine erste Mantelschicht 9 aus Nickel auf den Rohling 7 galvanisch aufgebaut. In einem weiteren Schritt wird auf die erste Mantelschicht 9 eine zweite Mantelschicht 10 aus Kupfer galvanisch aufgebaut. Eine dritte galvanisch aufgebaute Mantelschicht 11 aus Chrom schließt die Beschichtung ab. Die Dicke der ersten Mantelschicht beträgt ungefähr 120-180 µm. Die Dicke der zweiten Mantelschicht beträgt ungefähr 250-310 µm. Die Dicke der dritten Mantelschicht beträgt in etwa 15-25 µm.To produce the seamless embossing sleeve, a hollow cylindrical blank 7, i.e. also sleeve-shaped, is first provided. A coating is then built up galvanically on the
Das Einbringen der Prägestruktur in die Oberfläche des Prägesleeves 1 ist mit Bezug auf die
In der Darstellung b) ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der zunächst die erste Mantelschicht 9 aus Nickel auf den Rohling 7 aufgebracht wurde. Im Anschluss wurde die zweite Mantelschicht 10 aus Kupfer auf die erste Mantelschicht 9 aus Nickel aufgebracht. In einem weiteren Bearbeitungsschritt wurde eine Mikrostruktur als Prägestruktur 4 mit entsprechenden Strukturelementen 5 in die Außenseite der zweiten Mantelschicht 10 aus Kupfer eingeformt. In einem weiteren Prozessschritt wurde die Verchromung 11 auf die äußere Oberfläche der zweiten Mantelschicht 10 aus Kupfer aufgebracht. Die in die zweite Mantelschicht 10 aus Kupfer eingebrachte Prägestruktur 4 mit den entsprechenden Strukturelementen 5 ist nach dem Aufbringen der Schutzverchromung auch auf der äußeren Oberfläche der dritten Mantelschicht 11 aus Chrom ausgebildet.In the illustration b), a further embodiment of the invention is shown, in which first the
Die Prägestrukturen in den
Die Anlage umfasst ferner eine Temperierwalze 15 zum Vorwärmen eines in der Anlage zu prägenden Substrats 16 in Bahnform. Die Abbildung zeigt nur einen Teil der Anlage. Die Substratbahn16 wird von einer Rolle (nicht dargestellt) abgewickelt und zunächst über die Temperierwalze 15 geführt. Dort wird das Substrat vorgewärmt. Anschließend wird das Substrat auf die Prägeoberfläche 3 des Prägesleeves und zwischen die Oberflächen von Prägesleeve 1 und Gegendrucksleeve 12 geführt. Dort wird die Substratbahn 16 unter dem Einfluss von Wärme und Gegendruck geprägt. Nach dem Prägen wird das Substrat wieder von dem Prägesleeve 1 weggeführt und kann auf einer Rolle wieder aufgewickelt werden.The system further comprises a
Soll das Prägebild geändert werden, kann der Prägesleeve 1 von dem Spanndorn 13 entfernt und durch einen anderen Prägesleeve mit anderem Prägebild ersetzt werden. In ähnlicher Weise kann der Gegendrucksleeve 12 durch einen anderen Gegendrucksleeve mit anderer Oberflächenhärte ausgetauscht werden, wenn eine andere Oberflächenhärte für den Gegendruckzylinder notwendig ist.If the embossed image is to be changed, the
- 11
- Prägesleeve (Prägezylinder)Embossing sleeve (embossing cylinder)
- 22
- Achseaxis
- 33
- PrägeoberflächeEmbossing surface
- 44th
- PrägestrukturEmbossing structure
- 55
- StrukturelementeStructural elements
- 66th
- innere Oberflächeinner surface
- 77th
- Rohlingblank
- 88th
- Mantelfläche RohlingOuter surface blank
- 99
- erste Mantelschicht (Nickel)first coat layer (nickel)
- 1010
- zweite Mantelschicht (Kupfer)second cladding layer (copper)
- 1111
- dritte Mantelschicht (Chrom)third coat layer (chrome)
- 1212th
- Gegendruckzylinder (Gegendrucksleeve)Impression cylinder (impression sleeve)
- 1313th
- Spanndorn für PrägesleeveMandrel for embossing sleeve
- 1414th
- Spanndorn für GegendruckzylinderMandrel for impression cylinder
- 1515th
- TemperierwalzeTempering roller
- 1616
- SubstratSubstrate
Claims (16)
dadurch gekennzeichnet, dass der Prägezylinder ein Prägesleeve (1) in Form einer als Wechseleinheit konzipierten Hülse ist, der gegen zumindest einen anderen Prägesleeve austauschbar ausgebildet ist, wobei der Prägesleeve zur Montage in einem Prägesystem auf einen in die Hülse eingefahrenen Spanndorn (13) aufspannbar ist; und dass die Prägeoberfläche (3) des Prägesleeves (3) über den Spanndorn (13) beheizt wird.Method for thermal structure embossing of substrates with an embossing cylinder, the substrate (16) being guided along a heated embossing surface (3) of the embossing cylinder during embossing in order to form the structure of an embossing structure (4) molded into the embossing surface in the substrate (16) ,
characterized in that the embossing cylinder is an embossing sleeve (1) in the form of a sleeve designed as an interchangeable unit, which is designed to be exchangeable for at least one other embossing sleeve, the embossing sleeve being able to be clamped onto a mandrel (13) inserted into the sleeve for assembly in an embossing system ; and that the embossing surface (3) of the embossing sleeve (3) is heated via the mandrel (13).
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP20177147.4A EP3915802A1 (en) | 2020-05-28 | 2020-05-28 | Method for thermal embossing of substrates using sleeve technology |
PCT/EP2020/070113 WO2021013679A1 (en) | 2019-07-19 | 2020-07-16 | Method for producing a structure on a surface |
EP20739403.2A EP3999358B1 (en) | 2019-07-19 | 2020-07-16 | Method for producing a structure on a surface |
Applications Claiming Priority (1)
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EP20177147.4A EP3915802A1 (en) | 2020-05-28 | 2020-05-28 | Method for thermal embossing of substrates using sleeve technology |
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Publication Number | Publication Date |
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EP3915802A1 true EP3915802A1 (en) | 2021-12-01 |
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ID=71108348
Family Applications (1)
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Citations (2)
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GB2444627A (en) * | 2006-12-07 | 2008-06-11 | Falcontec Ltd | Process for producing a die |
EP2258564B1 (en) | 2009-06-03 | 2012-05-23 | Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus | Method for creating a diffractive optical effect on a target surface |
-
2020
- 2020-05-28 EP EP20177147.4A patent/EP3915802A1/en active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2444627A (en) * | 2006-12-07 | 2008-06-11 | Falcontec Ltd | Process for producing a die |
EP2258564B1 (en) | 2009-06-03 | 2012-05-23 | Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus | Method for creating a diffractive optical effect on a target surface |
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