[0001] Die Erfindung betrifft eine Presse, die insbesondere zur Erzeugung von Werkstücken
mit beugungsfähigen Strukturen eingerichtet ist.
[0002] 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.
[0003] Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Pressenkonzept anzugeben, mit dem
Werkstoffe mit höchster Präzision spanlos umgeformt werden können.
[0004] Diese Aufgabe wird mit einer Presse nach Anspruch 1 gelöst:
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Umformeinrichtung in schematisierter Darstellung,
Figur 2 den Stößel der Umformeinrichtung nach Figur 1 in schematisierter Ansicht von
unten,
Figur 3 eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Umformeinrichtung
in ausschnittsweiser Darstellung und
Figur 4 eine weitere abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Umformeinrichtung
in schematisierter Darstellung.
[0010] In Figur 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.
[0011] 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 Figur
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 vorzusehen, die, wie in Figur 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. Figur 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 Figur 2 zeigt.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] Zum Antrieb des Stößels 7 ist eine Antriebseinrichtung 16 vorgesehen, die, wie in
Figur 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.
[0015] 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 Figur 1 durch einen Pfeil
markiert.
[0016] Die insoweit beschriebene Presse 1 arbeitet wie folgt:
[0017] 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. 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.
[0018] 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.
[0019] Figur 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.
[0020] Eine weiter abgewandelte Ausführungsform der Presse 1 veranschaulicht Figur 4. Während
das Werkzeug 3 bei der Presse 1 nach Figur 1 unterhalb des Stößels 7 angeordnet ist,
ist das Werkzeug 3 bei der Presse 1 nach Figur 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 Figur 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 positionierten.
[0021] 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.
Bezugszeichenliste
[0022]
- 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
1. Presse, insbesondere Presse (1) zur Erzeugung von Werkstücken mit beugungsfähigen
Strukturen,
mit einem Gestell (2),
mit einem Stößel (7), der durch ein Federmittel (15) in einer Richtung (8) hin und
her bewegbar geführt und gehalten ist,
mit einer Antriebseinrichtung (16) zum kontrollierten Bewegen des Stößels (7).
2. Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federmittel (15) ein Federpaket ist.
3. Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federmittel (15) mehrere zueinander parallel orientierte Blattfedern (11, 12,
13, 14) aufweist, die jeweils mit einem Ende an den Stößel (7) und mit ihrem anderen
Ende an eine bezüglich des Gestells (2) ortsfeste Halterung (10) angeschlossen sind.
4. Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung (8) eine Schwenkrichtung ist.
5. Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (7) ausschließlich von dem Federpaket (15) gehalten und geführt ist.
6. Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (16) ein Federstelzengetriebe (18) aufweist.
7. Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federstelzengetriebe (18) einen quer zu dem Stößel (7) beweglichen Federträger
(19) aufweist, von dessen einer Seite (20) sich Blattfedern (22, 23, 24) zu dem Stößel
(7) erstrecken und von dessen gegenüberliegender Seite (21) sich Federn (25, 26, 27)
zu einer Abstützeinrichtung (2) erstrecken.
8. Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfedern (22, 23, 24) der einen Seite (20) zueinander parallel orientiert
sind und dass die Blattfedern (25, 26, 27) der anderen Seite (21) zueinander parallel
orientiert sind.
9. Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Federträger (19) mit einem Linearantrieb (32) verbunden ist.
10. Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (32) ein Linearmotor ist.