DE60208441T2

DE60208441T2 - Werkzeug mit schraubenförmigen spiralen für oberflächlich strukturierte artikel

Info

Publication number: DE60208441T2
Application number: DE60208441T
Authority: DE
Inventors: Michael R. Gorman; Thomas R. Laliberte
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2001-12-18
Filing date: 2002-10-14
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2022-10-15
Also published as: KR20040070217A; CN100430210C; US6969479B2; DE60208441D1; ATE314190T1; ES2254746T3; US20030111767A1; JP2005511366A; BR0214983A; WO2003051611A1; CN1604839A; US20040159970A1; EP1458552B1; MXPA04005785A; JP4173814B2; US6767202B2; EP1458552A1; RU2311293C2; RU2004118407A; AU2002337886A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Herstellung von Gegenständen mit strukturierten Oberflächen. Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung ein Werkzeug mit wellenförmig-schraubenförmigen Windungen zur Herstellung von Gegenständen mit einer oder mehreren strukturierten Flächen und Verfahren zum Verwenden des Werkzeugs bei der Herstellung von Gegenständen mit einer oder mehreren strukturierten Oberflächen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gegenstände mit einer oder mehreren strukturierten Oberflächen haben eine Vielzahl verschiedener Einsatzzwecke. Die Gegenstände können als Filme bereitgestellt werden, die beispielsweise eine vergrößerte Oberfläche, Strukturen, die dazu dienen, ein mechanisches Befestigungsmittel bereitzustellen, optische Eigenschaften usw. aufweisen. Wenn diese Filme zur Verwendung als mechanische Befestigungsmittel hergestellt werden, so nennt man die Vorsprünge, die sich auf der strukturierten Oberfläche finden, gemeinhin "Haken". Die Haken können eine gekrümmte Gestalt haben, oder sie können im Wesentlichen aufrechte Schäfte sein, die in einem anschließenden Arbeitsschritt so umgeformt werden, dass sie beispielsweise einen Kopf in Pilzform aufweisen.
Mechanische Befestigungsmittel sind manchmal so gestaltet, dass zwei Hakenstreifen verwendet werden können, um zwei Gegenständen aneinander zu befestigen, indem jeder Streifen an einem der Gegenstände angehaftet wird und die zwei Streifen dann miteinander in Eingriff gebracht werden. Ein solches mechanisches Befestigungsmittel ist in US-Patent Nr. 3,192,589 (Pearson) gezeigt, wo das Befestigungsmittel "hermaphroditisch" genannt wird, weil seine mit Köpfen versehenen Schäfte sowohl "männliche" als auch "weibliche" Merkmale aufweisen, wenn sie miteinander in Eingriff gebracht werden. Die Befestigungsmittel nach Pearson können durch Formen einer Basis hergestellt werden, von der integrale kopflose Schäfte vorstehen, wobei dann die Spitzen der Schäfte mittels Wärme erweicht werden.
US-Patent Nr. 5,077,870 (Melbye und Mitarbeiter) offenbart ein Verfahren zur Herstellung des Hakenstreifenabschnitts eines mechanischen Befestigungsmittels, wobei schmelzflüssiges Material in Hohlräume gedrängt wird, die in einer sich bewegenden Formoberfläche ausgebildet sind. Die Schäfte, die durch die sich bewegende Formoberfläche ausgeformt werden, werden dann mit Kappen versehen, so dass die gewünschten Befestigungsmittel entstehen. Die Hohlräume werden in der Formoberfläche durch Bohren ausgebildet. Infolge dessen haben die Hohlräume eine zylindrische Gestalt, und auch wenn sich einige Präzision bei der Tiefe, dem Durchmesser und den Abständen zwischen den Hohlräumen erreichen lässt, ist es doch einigermaßen schwierig und mit erhöhten Kosten zu bewerkstelligen. Außerdem macht es eine Beschädigung der Formoberfläche in der Regel erforderlich, die gesamte Form zu verschrotten.
US-Patent Nr. 5,792,411 (Morris und Mitarbeiter) offenbart ein Formwerkzeug, das durch Laserbearbeitung einer Formoberfläche hergestellt wird. Schmelzflüssiges Material wird dann in die Hohlräume in der sich bewegenden Formoberfläche gedrängt, um Schäfte auszubilden. Die Schäfte werden dann mit Kappen versehen, um die gewünschten Befestigungsmittel entstehen zu lassen. Da die Hohlräume durch Laserablation ausgebildet werden, basiert die Form der Hohlräume auf der Energie verteilung innerhalb des Laserstrahls, der zum Ausbilden der Hohlräume verwendet wird. Des Weiteren ist eine präzise Steuerung der Tiefe der Hohlräume schwierig, was auf Schwankungen in dem zur Herstellung der Form verwendeten Materials, der Leistung des Laserstrahls, der Energieverteilung innerhalb des Strahls, des Strahlfokus' usw. zurückzuführen ist.
US-Patent Nr. 4,775,310 (Fischer) und die PCT-Schrift Nr. WO 97/46129 (Lacey und Mitarbeiter) offenbaren Werkzeuge zur Herstellung von Hakenstreifen für ein mechanisches Befestigungsmittel vom Haken-und-Schlaufen-Typ. Die Werkzeuge werden durch eine Hohltrommel mit einem Wasserkühlmantel gebildet. Eine Reihe von Formscheiben oder einander abwechselnden Formscheiben und Distanzplatten sind entlang der Trommel aneinanderlaminiert, so dass die gewünschten Formhohlräume auf der Walzenoberfläche entstehen. Zu den Nachteilen dieser Bauweisen gehören die Kosten der Herstellung der Formscheiben mit ausreichender Präzision, um zu gewährleisten, dass die Hohlräume die gleiche Tiefe, Länge, Beabstandung usw. aufweisen. Größenbeschränkungen, denen die Scheiben infolge von Herstellungsschwierigkeiten unterliegen, können ihrerseits die Produktionsstreckengeschwindigkeit bei Prozessen verlangsamen, in denen diese Werkzeuge eingesetzt werden. Zu weiteren Nachteilen dieser Bauweise gehören eine ungleichmäßige Kühlung der Formhohlräume, Ungleichmäßigkeiten in den Produkten, die mittels der übereinander gestapelten Platten hergestellt wurden, usw.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt Werkzeugwalzen und Verfahren zur Verwendung der Werkzeugwalzen zur Herstellung von Gegenständen mit einer oder mehreren strukturierten Oberflächen bereit. Die Werkzeugwalzen enthalten eine Außenfläche, die, wenn sie in Verbindung mit Materialen der richtigen Viskosität oder Formbarkeit verwendet wird, eine strukturierte Oberfläche auf einem Gegenstand ausbilden kann. Weil die Werkzeuge in Walzenform hergestellt werden, lassen sie sich vorteilhaft in kontinuierlichen Herstellungsprozessen verwenden. Alternativ können einzelne Gegenstände mit Hilfe der Werkzeugwalzen der vorliegenden Erfindung verarbeitet werden.
"Strukturierte Oberfläche" bedeutet, dass eine Oberfläche des Gegenstandes sich von einer planaren oder sonstigen glatten Oberfläche unterscheidet. Beispielsweise kann die strukturierte Oberfläche Vorsprünge enthalten, die sich von dieser Oberfläche aus erstrecken, wie beispielsweise Schäfte, die in Verbindung mit mechanischen Befestigungsmitteln verwendet werden. Zu weiteren alternativen strukturierten Oberflächen gehören beispielsweise kontinuierliche Rillen oder Erhöhungen, längliche Strukturen usw.
Die Werkzeugwalzen der vorliegenden Erfindung bestehen aus einer zylindrische Basiswalze und sind mit einem oder mehreren kontinuierlichen Drähten in einem wellenförmig-schraubenförmigen Muster umwunden. Die Drähte werden praktisch dafür verwendet, eine strukturierte Oberfläche auf der Werkzeugwalze auszubilden, die das Negativ der strukturierten Oberfläche darstellt, die auf den Gegenständen ausgebildet werden soll, die mittels der Werkzeugwalze bearbeitet werden. Bei einer Ausführungsform kann wenigstens einer der Drähte, die um die Basiswalze herum gewunden sind, mehrere Leerstellen enthalten, die, wenn der Draht um die Basiswalze herum gewunden ist, mehrere Formhohlräume auf der Außenfläche der Werkzeugwalze bilden. Alternativ können der eine oder die mehreren gewundenen Drähte zur Ausbildung einer kontinuierlichen strukturierten Oberfläche, beispielsweise einer oder mehrerer kontinuierlicher Rillen, verwendet werden.
Die wellenförmig-schraubenförmigen Windungen, die durch die Drähte in den Werkzeugwalzen der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden, bilden ein solches Profil oder eine solche Form, dass der Abstand zwischen einer Bezugsebene quer zur Längsachse der Basiswalze und dem einen oder mehreren Drähten nacheinander wenigstens einmal zunimmt und abnimmt, wenn man sich in einer Richtung entlang des Umfangs um die Basiswalze herum bewegt. Obgleich der oder die Drähte, die um die Basiswalze herum gewunden sind, sich fortlaufend über die Oberfläche der Walze erstrecken, verlaufen sie infolge dessen wellenförmig, so dass der gewünschte variierende Abstand zur Bezugsebene entsteht. Das wellenförmigschraubenförmige Muster, das durch den oder die Drähte gebildet wird, kann durch eine sich windende Oberfläche nahe dem oder den Enden der Basiswalze gebildet werden.
Zu den Vorteilen dieses wellenförmig-schraubenförmigen Windungsdesigns kann beispielsweise eine gleichmäßigere Verteilung der Abnutzung der Oberflächen (beispielsweise einer Quetschwalze) gehören, gegen die die Werkzeugwalze während des Betriebes vorgespannt ist. Ein weiterer möglicher Vorteil kann im Verändern der Ausrichtung von Formhohlräumen (relativ zur Maschinenrichtung) liegen, die in der Werkzeugwalze durch den oder die gewundenen Drähte ausgebildet sind. Eventuelle Vorsprünge, die in einem strukturierten Gegenstand durch die Formhohlräume gebildet werden, können dann ebenfalls ihre Ausrichtung relativ zur Maschinenrichtung verändern. Ein weiterer möglicher Vorteil der wellenförmig-schraubenförmigen Windung auf den Werkzeugwalzen der vorliegenden Erfindung ist, dass eine Drehbewegung der Windungen relativ zur Basiswalze gehemmt werden kann.
Zu weiteren Vorteilen der Werkzeugwalzen gehört beispielsweise die Möglichkeit, die Drahtwindungen auf der Basiswalze auszuwechseln, wenn die Außenfläche der Werkzeugwalze beschädigt oder abgenutzt ist. Die Werkzeugwalzen können auch relativ preiswert im Vergleich zu den Kosten der Herstellung von Werkzeugwalzen sein, die beispielsweise gestapelte Platten verwenden oder bei denen direkt in die Formoberfläche hineingebohrt wird.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, die Beabstandung zwischen den Formhohlräumen entlang der Breite der Walze durch Variieren der Dicke des einen oder der mehreren Drähte, die um die Basiswalze herum gewunden sind, zu steuern. Die Beabstandung der Formhohlräume entlang des Umfangs kann ebenfalls unabhängig gesteuert werden, indem die Beabstandung zwischen Leerstellen in dem oder den Drähten, die um die Basiswalze herum gewunden sind, gesteuert wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch Steuern des Profils oder der Querschnittsform des einen oder der mehreren Drähte und der Gestalt oder Gestalten der Leerstellen, die in dem Draht ausgebildet sind, auch Variationen der Gestalt oder Gestalten der Formhohlräume erreicht werden können.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die relativ geringe thermische Masse des einen oder der mehreren Drähte, die um die Basiswalze herum gewunden sind, im Vergleich zu der thermischen Masse der Basiswalze. Infolge dessen kann die thermische Steuerung der Formhohlräume verbessert werden, was entsprechende Verbesserungen bei der Gleichmäßigkeit der Produkte, die mittels der Werkzeugwalzen hergestellt werden, mit sich bringen kann.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung meint "Formhohlraum" jegliche Diskontinuität in einer ansonsten glatten oder planaren Oberfläche, in die hinein formbares Material während eines Formungsprozesses fließen kann. Bei einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können die Werkzeugwalzen Formhohlräume mit großen Seitenverhältnissen, wie weiter unten definiert, enthalten, obgleich es sich versteht, dass ein Formhohlraum kein großes Seitenverhältnis haben muss.
Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Werkzeugwalze bereit, die Folgendes enthält: eine zylindrische Basiswalze, die ein erstes und ein zweites Ende aufweist, die entlang einer Längsachse voneinander beabstandet sind; und einen ersten Draht, der mehrere darin ausgebildete erste Leerstellen aufweist, wobei der erste Draht in schraubenförmigen Windungen um die Basiswalze herum gewunden ist, wobei die mehreren ersten Leerstellen in dem ersten Draht mehrere erste Hohlräume bilden, wobei jeder Hohlraum der mehreren ersten Hohlräume an einer Außenfläche der Werkzeugwalze eine Öffnung aufweist; wobei ein Abstand zwischen dem ersten Draht und einer Bezugsebene quer zur Längsachse der Basiswalze beim Bewegen in einer Richtung um einen Umfang der Basiswalze herum mindestens einmal der Reihe nach zunimmt und abnimmt.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Werkzeugwalze bereit, die Folgendes enthält: eine zylindrische Basiswalze, die ein erstes und ein zweites Ende aufweist, die entlang einer Längsachse voneinander beabstandet sind; einen ersten Draht, der mehrere darin ausgebildete erste Leerstellen aufweist, wobei der erste Draht in schraubenförmigen Windungen um die Basiswalze herum gewunden ist; einen zweiten Draht, der um die Basiswalze herum gewunden ist, wobei der zweite Draht zwischen benachbarten schraubenförmigen Windungen des ersten Drahtes angeordnet ist; wobei der zweite Draht und die mehreren ersten Leerstellen in dem ersten Draht mehrere erste Hohlräume bilden, wobei jeder Hohlraum der mehreren ersten Hohlräume an einer Außenfläche der Werkzeugwalze eine Öffnung aufweist; und wobei ein Abstand zwischen dem ersten Draht und einer Bezugsebene quer zur Längsachse der Basiswalze beim Bewegen in einer Richtung um einen Umfang der Basiswalze herum mindestens einmal der Reihe nach zunimmt und abnimmt.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden einer strukturierten Oberfläche auf einem Gegenstand bereit, wobei eine Werkzeugwalze bereitgestellt wird, die Folgendes enthält: eine zylindrische Basiswalze, die ein erstes und ein zweites Ende aufweist, die entlang einer Längsachse voneinander beabstandet sind; einen ersten Draht, der mehrere darin ausgebildete erste Leerstellen aufweist, wobei der erste Draht in schraubenförmigen Windungen um die Basiswalze herum gewunden ist, wobei die mehreren ersten Leerstellen in dem ersten Draht mehrere erste Hohlräume bilden, wobei jeder Hohlraum der mehreren ersten Hohlräume an einer Außenfläche der Werkzeugwalze eine Öffnung aufweist, wobei ein Abstand zwischen dem ersten Draht und einer Bezugsebene quer zur Längsachse der Basiswalze beim Bewegen in einer Richtung um einen Umfang der Basiswalze herum mindestens einmal der Reihe nach zunimmt und abnimmt. Das Verfahren beinhaltet ferner das Inkontaktbringen eines formbaren Materials mit der Außenfläche der Werkzeugwalze, um die strukturierte Oberfläche unter Verwendung der Außenfläche der Werkzeugwalze auszubilden, wobei das formbare Material mindestens teilweise mindestens einige der ersten Hohlräume ausfüllt; und Abnehmen der strukturierten Oberfläche von der Außenfläche der Werkzeugwalze, wobei die strukturierte Oberfläche mehrere Vorsprünge aufweist, die den mehreren ersten Hohlräumen entsprechen.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden einer strukturierten Oberfläche auf einem Gegenstand bereit, wobei eine Werkzeugwalze bereitgestellt wird, die Folgendes enthält: eine zylindrische Basiswalze, die ein erstes und ein zweites Ende aufweist, die entlang einer Längsachse voneinander beabstandet sind; einen ersten Draht, der in schraubenförmigen Windungen um die Basiswalze herum gewunden ist, wobei ein Abstand zwischen dem ersten Draht und einer Bezugsebene quer zur Längsachse der Basiswalze beim Bewegen in einer Richtung um einen Umfang der Basiswalze herum mindestens einmal der Reihe nach zunimmt und abnimmt; einen zweiten Draht, der in schraubenförmigen Windungen um die Basiswalze herum gewunden ist, wobei der zweite Draht zwischen benachbarten schraubenförmigen Windungen des ersten Drahtes angeordnet ist; und wobei die schraubenförmigen Windungen des ersten und des zweiten Drahtes sich entlang der Längsachse abwechseln, und wobei ferner eine Höhe des ersten Drahtes über der Basiswalze geringer ist als eine Höhe des zweiten Drahtes über der Basiswalze, wodurch eine schraubenförmige Rille auf einer Außenfläche der Werkzeugwalze gebildet wird, wobei die schraubenförmige Rille der Gestalt des ersten Drahtes entspricht. Das Verfahren beinhaltet ferner das Inkontaktbringen eines formbaren Materials mit der Außenfläche der Werkzeugwalze, um eine strukturierte Oberfläche auf einem Gegenstand unter Verwendung der Außenfläche der Werkzeugwalze auszubilden, wobei das formbare Material mindestens teilweise mindestens einen Abschnitt der schraubenförmigen Rille ausfüllt, die durch den ersten und den zweiten Draht gebildet wird; und Abnehmen der strukturierten Oberfläche von der Werkzeugwalze, wobei die strukturierte Oberfläche eine Reihe von Erhöhungen aufweist.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden in Verbindung mit veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht auf eine Werkzeugwalze gemäß der vorliegenden Erfindung.
1A ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Oberfläche der Basiswalze 12 von 1, wobei eine Oberflächenstrukturierung auf der Oberfläche, über die Drähte gewunden sind, gezeigt ist.
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des Oberfläche der Werkzeugwalze von 1, wobei die darin ausgebildeten Hohlräume veranschaulicht sind.
3 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Werkzeugwalze von 2 entlang der Linie 3-3 in 2.
4 ist eine vergrößerte weggeschnittene perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Oberfläche der Werkzeugwalze von 2, wobei die darin ausgebildeten Hohlräume veranschaulicht sind.
5 ist ein Schaubild eines alternativen wellenförmig-schraubenförmigen Windungsprofils, das in einer Werkzeugwalze der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
6 ist ein Schaubild eines weiteren alternativen wellenförmig-schraubenförmigen Windungsprofils, das in einer Werkzeugwalze der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
7 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer strukturierten Oberfläche, die mittels einer Werkzeugwalze gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet wurde.
8 ist eine vergrößerte Draufsicht auf einen Abschnitt der Oberfläche einer weiteren Werkzeugwalze gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Querschnittsansicht von 8 entlang der Linie 9-9.
10 ist eine Querschnittsansicht von 8 entlang der Linie 10-10.
11 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt einer weiteren Werkzeugwalze gemäß der vorliegenden Erfindung.
12 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung einer Werkzeugwalze gemäß der vorliegenden Erfindung.
13 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung eines Films mit einer Topologie mit großem Seitenverhältnis mittels einer Werkzeugwalze gemäß der vorliegenden Erfindung.
14 ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung von 13 entlang der Linie 14-14 in 13.
15 veranschaulicht ein Verfahren zur Herstellung eines Films mit einer Topologie mit großem Seitenverhältnis, der Vorsprünge auf beiden Seiten enthält, mittels zweier Werkzeugwalzen gemäß der vorliegenden Erfindung.
16 ist eine vergrößerte teilweise Querschnittsansicht eines Prozesses, bei dem eine andere Werkzeugwalze gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
17 ist eine Draufsicht auf eine weitere Werkzeugwalze, die längliche diskontinuierliche schraubenförmigen Formhohlräume enthält.
18 ist eine perspektivische Ansicht eines Films, der unter Verwendung der Werkzeugwalze von 17 hergestellt wurde.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt Werkzeugwalzen und Verfahren zur Verwendung der Werkzeugwalzen zur Herstellung von Gegenständen mit einer oder mehreren strukturierten Oberflächen bereit. Die Werkzeugwalzen enthalten eine Außenfläche, die – wenn sie in Verbindung mit Materialien mit der richtigen Viskosität oder Formbarkeit verwendet werden – eine strukturierte Oberfläche auf einem Gegenstand ausbilden können. Weil die Werkzeuge in Walzenform hergestellt werden, können sie vorteilhaft in kontinuierlichen Herstellungsprozessen verwendet werden, um beispielsweise Filme, Folien usw. herzustellen. Alternativ können einzelne Gegenstände mittels der Werkzeugwalzen der vorliegenden Erfindung bearbeitet werden.
Die Werkzeugwalzen der vorliegenden Erfindung können mehrere Hohlräume in ihren Außenflächen enthalten, die

– wenn sie in Verbindung mit Materialien mit der richtigen Viskosität oder Formbarkeit verwendet werden
– Vorsprünge oder Strukturen auf wenigstens einer Oberfläche eines Films ausbilden können. Alternativ können zwei dieser Walzen in Kombination verwendet werden, um einen Film herzustellen, bei dem beide Hauptflächen Vorsprünge oder Strukturen aufweisen.

1-4 zeigen eine veranschaulichende Ausführungsform der Werkzeugwalze 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. 1 zeigt die zylindrische Basiswalze 12, eine erste Endkappe 50 und eine zweite Endkappe 60. Die erste Endkappe 50 befindet sich nahe einem ersten Ende der zylindrischen Basiswalze 12. Die zweite Endkappe 60 befindet sich nahe einem zweiten Ende der zylindrischen Basiswalze 12. Die zylindrische Basiswalze 12 definiert des Weiteren eine Längsachse 14, um die sich die Werkzeugwalze 10 während des Betriebes dreht.
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der Oberfläche der Werkzeugwalze 10, wobei Drähte 20 und 40 um die Basiswalze 12 (in 2 nicht gezeigt) herum gewunden sind. Die Hohlräume 30, die durch die Drähte 20 und 40 gebildet werden, sind in 2 ebenfalls gezeigt. 3 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts der Werkzeugwalze 10, wobei die Basiswalze 12, Drähte 20 und 40 und die Endkappe 50 gezeigt sind. 4 ist eine perspektivische Ansicht von Drähten 20 und 40, wobei die Ausbildung der Hohlräume in der Werkzeugwalze 10 veranschaulicht ist.
Die Drähte 20 und 40, die um die Basiswalze 12 herum gewunden sind, können mittels eines beliebigen geeigneten Mechanismus' an ihrem Platz gehalten werden, einschließlich beispielsweise Klemmen, Schweißen, Klebstoff usw. Solche Techniken kennt man beispielsweise aus der Produktion von Stachelwalzen. Siehe beispielsweise US-Patent Nr. 4,272,865 (Schmolke). In einigen Fällen können die Endkappen 50 und 60 auch als ein Teil des Mechanismus' dienen, der dafür verwendet wird, die Drähte 20 und 40 an ihrem Platz auf der zylindrischen Basiswalze 12 zu halten. Außerdem kann es bevorzugt sein, eine Basiswalze 12 bereitzustellen, die Rillen enthält, die in der Oberfläche ausgebildet sind, auf die die Drähte aufgewickelt sind, wobei die Rillen dabei helfen, die Position der Drähte, die auf die Basiswalze 12 aufgewickelt sind, beizubehalten.
Wenden wir uns wieder 1 zu, wo sich die erste Endkappe 50 vorzugsweise um den Umfang der zylindrischen Basiswalze 12 herum erstreckt und eine Drahtwickelfläche 52 bereitstellt, um die ein Draht in einer modifizierten schraubenförmigen Windung aufgewickelt oder herum gelegt werden kann. Die Drahtwickelfläche 52 weist zum zweiten Ende der zylindrischen Basiswalze 12 und stellt vorzugsweise eine wellenförmige Oberfläche bereit, an der ein Draht geformt werden kann. Es können auch viele andere Strukturen oder Techniken anstelle der Drahtwickelfläche 52 verwendet werden, um den modifizierten schraubenförmigen Windungen der Drähte 20 und 40 das gewünschte wellenförmige Profil oder die gewünschte wellenförmige Gestalt zu verleihen. Beispielsweise könnte eine Reihe von Stiften oder Fingern verwendet werden, um die Drähte 20 und 40 während des Aufwickelns auf die Basiswalze 12 in dem gewünschten wellenförmigen Profil zu halten.
Im Sinne des vorliegenden Textes meint der Ausdruck "wellenförmig" den variierenden Abstand zwischen den Drähten 20 (und allen sonstigen Drähten, die mit dem Draht 20 gewickelt sind) und einer Bezugsebene, die durch die zylindrische Basiswalze 12 quer zur Längsachse 14 verläuft (ein Rand der Bezugsebene 15 ist in 1 gezeigt). Der Abstand zwischen der Bezugsebene 15 und dem Draht 20 nimmt beim Bewegen in einer Richtung um einen Umfang der Basiswalze 12 herum mindestens einmal nacheinander zu und ab. (Die Abstände, die in Verbindung mit den zylindrischen Werkzeugwalzen der vorliegenden Erfindung erwähnt werden, werden – sofern nicht anders angegeben – parallel zur Längsachse 14 der zylindrischen Basiswalze 12 gemessen.) Infolge dessen nimmt der Abstand, der durch d₁ dargestellt wird, wenigstens einmal zu und ab, wenn man sich um den Umfang der Basiswalze 12 herum bewegt. Das ist anders als bei einem herkömmlichen schraubenförmigen Muster, wo der Abstand entweder zunehmen oder abnehmen würde, wenn man sich in einer Richtung um den Umfang der Basiswalze 12 herum bewegt, aber nicht sowohl zunehmen als auch abnehmen würde, wenn man sich in einer Richtung bewegt. Es versteht sich, dass der Abstand zwischen der Bezugsebene 15 und dem Draht 20 entlang einer gleichbleibenden Stelle auf dem Draht 20 gemessen wird (beispielsweise zwischen den Seiten 21 und 23 des Drahtes 20).
2 zeigt einen vergrößerten Abschnitt der Oberfläche der Werkzeugwalze 10, wobei die Drähte 20 und 40 auf die Werkzeugwalze 10 gewunden sind. Die Drähte 20 und 40 sind an die Drahtwickelfläche 52 der Endkappe 50 so angepasst, dass das Profil der Drahtwickelfläche 52 von jedem der Drähte 20 und 40 repliziert wird, während sie um die zylindrische Basiswalze 12 herum gewickelt werden. Infolge der Schraubenförmigkeit der herumgelegten Drähte 20 und 40 erstrecken diese sich über die Oberfläche der Basiswalze 12 von einem Ende zum entgegengesetzten Ende der Walze 12. Auch wenn die modifizierten schraubenförmigen Windungen, die durch die Drähte 20 und 40 gebildet werden, wellenförmig verlaufen, während sie sich um den Umfang der Basiswalze 12 herum erstrecken, erstrecken sie sich trotzdem noch im Wesentlichen in einer schraubenförmigen Weise über die Oberfläche der Basiswalze 12.
Der Draht 20 enthält mehrere darin ausgebildete Leerstellen, während der Draht 40 als ein Abstandshalter zwischen den Windungen des Drahtes 20 fungiert. Das Ergebnis ist, dass einander abwechselnde schraubenförmige Windungen des Drahtes 20 und des Abstandshalterdrahtes 40 über der Oberfläche der Werkzeugwalze 10 angeordnet sind. Die Leerstellen in dem Draht 20 und der Abstandshalterdraht 40 bilden im Zusammenwirken die Formhohlräume 30 in der Oberfläche der Werkzeugwalze 10. Es kann bevorzugt sein (ohne dass dies erforderlich ist), dass die Formhohlräume 30 von der gleichen Größe sind und in gleichmäßigem Abstand um die Werkzeugwalze 10 herum angeordnet sind. Alternativ kann es erwünscht sein, dass ein gewisses Maß an Ungleichmäßigkeit in der Größe und/oder Beabstandung der Formhohlräume 30 vorhanden ist.
Ein möglicher Vorteil von Werkzeugwalzen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, ist, dass die Formhohlräume 30 in ihrer Ausrichtung beispielsweise relativ zur Längsachse der Werkzeugwalze 10 variieren können. Beispielsweise können die Formhohlräume in verschiedenen Richtungen gewinkelt sein, wie in 2 zu sehen. Bei anderen Werkzeugwalzen können die Formhohlräume allesamt die gleiche Ausrichtung haben.
Wenden wir uns den 3 und 4 zu, wo die Innenränder 24 des Drahtes 20 und der Innenrand 44 des Abstandshalterdrahtes 40 um die Basiswalze 12 herum gelegt sind, während die Außenränder 22 und 42 der Drähte 20 bzw. 40 so gewickelt sind, dass sie von der Basiswalze 12 aus nach außen weisen. Sowohl der Draht 20 als auch der Abstandshalterdraht 40 können vorzugsweise rechtwinklige Querschnitte aufweisen, die mit einer gleichmäßigen Progression der schraubenförmigen Windungen über der Walze 10 kompatibel sind.
Die in dem Draht 20 angeordneten Leerstellen 26 sind über die volle Breite des Drahtes 20 ausgebildet und enthalten gegenüberliegende Seitenwände 27 und 28 und einen Boden 29, wie in den 3 und 4 zu sehen. Es kann bevorzugt sein, dass der Außenrand 22 der Windungen des Drahtes 20 mit dem Außenrand 42 des Abstandshalterdrahtes 40 bündig ist, so dass die Bereiche zwischen den Formhohlräumen 30 in der fertigen Werkzeugwalze 10 im Wesentlichen glatt sind, d. h. ohne nennenswerte Diskontinuitäten zwischen den Drähten 20 und 40.
Alternativ können die Außenränder 22 und 42 der Drähte 20 bzw. 40 in unterschiedlichen Höhen über der Oberfläche der Basiswalze 12 angeordnet sein. Die Drähte 20 und 40 mit unterschiedlichen Höhen können der Oberfläche des herzustellenden Gegenstandes eine Struktur verleihen. Diese Struktur kann die Form länglicher Erhöhungen aufweisen, die eine Verstärkung beispielsweise für die höheren Vorsprünge, die durch die Formhohlräume gebildet werden, und/oder den Gegenstand selbst bilden können.
Der Draht 20, in dem Leerstellen ausgebildet sind, welche die gewünschten Formhohlräume 30 bilden, wenn er, wie oben besprochen, um die Basiswalze 12 gewunden ist, kann unter Verwendung eines Drahtes oder Streifens mit einem im Wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt hergestellt werden. Die Leerstellen 26 erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Dicke des Drahtes 20, so dass jede Leerstelle nur zwei Seiten 27 und 28, die entlang der Länge des Drahtes 20 ausgerichtet sind, und einen Boden 29 enthält. Der Draht 20 kann mit den Leerstellen 26 hergestellt werden, oder es kann zuerst ein Draht mit einem im Wesentlichen gleichmäßigen Profil hergestellt und dann mit einer oder mehreren geeigneten Techniken bearbeitet werden, um die Leerstellen 26 darin auszubilden. Zu diesen geeigneten Techniken können beispielsweise gehören Stanzen, Prägen, herkömmliche maschinelle Bearbeitung, Laserablation, Funkenerosion, Wasserstrahlbearbeitung, Ätzen usw. Das Stanzen von Drähten zu gewünschten Formen kennt man beispielsweise aus der Stachelwalzenherstellung; siehe beispielsweise US-Patent Nr. 4,537,096 (Hollingsworth). Der Draht 20 kann aus einem oder mehreren geeigneten Materialien hergestellt werden, aber zu einigen bevorzugten Materialien gehören Stähle, besonders bevorzugt Stähle mit mittlerem bis niedrigem Kohlenstoffgehalt.
Bei einer weiteren Variante kann es bevorzugt sein, dass die eine oder die mehreren Seitenflächen der Drähte 20 und/oder 40, d. h. die Oberflächen 21 und 23 des Drahtes 20 und die Oberflächen 41 und 43 des Drahtes 40 (siehe 3), mit einer gewissen Oberflächenstrukturierung versehen sind, so dass die eine oder die mehreren Seitenflächen nicht glatt sind. Beispielsweise können die eine oder die mehreren Seitenflächen geriffelt, angeschliffen, gestanzt oder anderweitig unterbrochen sein, so dass keine im Wesentlichen glatte Oberfläche mehr vorhanden ist. Es kann bevorzugt sein, dass eine solche Oberflächenstrukturierung sich im Wesentlichen über die gesamten Seitenflächen 21 und 23 des Drahtes 20 erstreckt. Diese Oberflächenstrukturierung kann das Befüllen der Hohlräume 30 verbessern, indem der Austrag von Luft aus den Hohlräumen während der Verarbeitung optimiert wird. Ein Beispiel einer geeigneten Oberflächenstrukturierung ist in 4 gezeigt, wo die Seiten beider Drähte 20 und 40 so dargestellt sind, dass sie ein Muster aus geriffelten Linien enthalten.
Wenden wir uns nun 1A zu, wo ein weiteres optionales Merkmal gezeigt ist, das ebenfalls in Verbindung mit den Werkzeugwalzen der vorliegenden Erfindung vorhanden sein kann, nämlich dass die Oberfläche der Basiswalze 12, über die die Drähte gewundenen sind, ebenfalls mit einer Oberflächenstrukturierung versehen sein kann, so dass die Oberfläche der Basiswalze 12 nicht glatt ist. Die Oberflächenstrukturierung der Basiswalze 12 kann ebenfalls das Befüllen der Hohlräume 30 unterstützen, indem zusätzliche Pfade bereitgestellt werden, durch die eingeschlossene Luft entweichen kann. Die Oberflächenstrukturierung kann auch ein drehendes Verschieben der gewundenen Drähte relativ zur Basiswalze 12 während des Gebrauchs mindern. Ein Beispiel einer geeigneten Oberflächenstrukturierung kann ein Muster aus im Wesentlichen parallelen, geriffelten Linien sein, die in der Oberfläche der Basiswalze 12 ausgebildet sind, wie in der vergrößerte Ansicht von 1A gezeigt.
Obgleich das wellenförmig-schraubenförmige Drahtwindungsprofil, das in den 1 und 2 gezeigt ist, die Form eines gleichmäßig variierenden Profils sowohl in der Steigung als auch in der Amplitude aufweist, versteht es sich, dass jedes beliebige Profil, das einen variierenden Abstand zwischen den Drähten und einer Bezugsebene, die sich durch die zylindrische Basiswalze 12 quer zur Längsachse 14 erstreckt, er zeugt, verwendet werden kann. Beispiele einiger alternativer Profile sind in den 5 und 6 gezeigt, obgleich die gezeigten Beispiele längst nicht alle möglichen Profile darstellen, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Wenden wir uns 1 zu, wo eine zweite Endkappe 60 ebenfalls vorzugsweise eine Drahtwickelfläche 62 mit einem Profil oder einer Gestalt bilden kann, die der Gestalt oder dem Profil der Drahtwickelfläche 52 am gegenüberliegende Ende der Basiswalze 12 komplementär ist. Ähnlich der Drahtwickelfläche 52 kann die Drahtwickelfläche 62 dadurch gekennzeichnet werden, dass sie von der Bezugsebene 15 um einen Abstand d₂ entfernt ist, der um den Umfang der Basiswalze 12 herum variiert. Wenn die zweite Drahtwickelfläche 62 zur ersten Drahtwickelfläche 52 komplementär ist, so ist der Abstand d zwischen den zwei Drahtwickelflächen 52 und 62 um den Umfang der Basiswalze 12 herum fest oder gleichbleibend.
Das wellenförmige Profil, das in den 1 und 2 gezeigt ist, dadurch gekennzeichnet werden, dass es einen Abstand d₁ zwischen der Bezugsebene 15 und dem Draht 20 bildet, der um den Umfang der Basiswalze 12 herum nacheinander zunimmt und abnimmt. Ein solches Muster kann als eine Reihe einander abwechselnder, aufeinanderfolgender Spitzen und Täler beschrieben werden, wenn man sich in einer Richtung um den Umfang der Basiswalze 12 herum bewegt. Jede Windung, die durch die Drähte gebildet wird, enthält wenigstens eine Spitze und wenigstens ein Tal.
Obgleich die wellenförmig-schraubenförmigen Windungen, die in den 1 und 2 gezeigt sind, durch aufeinanderfolgende Spitzen und Täler gebildet werden, die durch Liniensegmente verbunden sind, können die Profile der modifizierten schraubenförmigen Windungen und der zugehörigen Drahtwickelflächen (falls vorhanden) auch andere Gestalten aufweisen. Beispielsweise zeigt 5 ein weiteres Beispiel eines Musters aufeinanderfolgender Zunahmen und Abnahmen im Abstand d zwischen einer Bezugsebene und einem Draht 120 um den Umfang einer Basiswalze herum. Das in 5 gezeigte Profil kann als sinusförmig gekennzeichnet werden, und obgleich das gezeigte Muster hinsichtlich Amplitude und Frequenz gleichmäßig ist, versteht es sich, dass gewünschtenfalls Ungleichmäßigkeiten hinsichtlich Amplitude und/oder Frequenz vorhanden sein können.
Des Weiteren versteht es sich, dass die wellenförmigschraubenförmigen Windungen, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, gerade Liniensegmente und/oder Kurven in jeder beliebigen gewünschten Weise kombinieren können, mit der das Ziel erreicht wird, einen wellenförmigen, schraubenförmig gewundenen Draht zu erhalten, der einen variierenden Abstand von einer Bezugsebene aufweist. 6 zeigt ein veranschaulichendes Profil, bei dem der Draht 220 gekröpft oder anderweitig bearbeitet wurde, um ausgeprägtere Übergänge in Richtung von den gekrümmten Profilen, die in den 1, 2 und 5 gezeigt sind, zu erzeugen.
Eine bevorzugte Anwendung, bei der Werkzeugwalzen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, wie beispielsweise die Werkzeugwalze 10, verwendet werden können, ist die Herstellung von strukturierten Oberflächen mit einer Topologie mit großem Seitenverhältnis. Wenden wir uns 7 zu, wo ein veranschaulichender Gegenstand, der mittels der Werkzeugwalze 10 hergestellt wurde, mit einer strukturierten Oberfläche gezeigt ist, auf der mehrere Vorsprünge 72 ausgebildet sind. Die veranschaulichten Vorsprünge haben eine Höhe h' über der Oberfläche des Gegenstandes und eine kleinste Breite w', die in einer Ebene I gemessen ist, die im Wesentlichen parallel zur Ebene der Oberfläche verläuft. Wenn die Oberfläche eine gewisse Krümmung aufweist, so ist die Ebene I vorzugsweise tangential zur Oberfläche im Bereich des Vorsprungs 72 ausgerichtet.
Die Vorsprünge 72 können einer großes Seitenverhältnis haben, und die Werkzeugwalzen gemäß der vorliegenden Erfindung können besonders vorteilhaft bei der Herstellung von strukturierten Oberflächen mit Topologien mit großem Seitenverhältnis verwendet werden. Mit "großem Seitenverhältnis" ist gemeint, dass das Verhältnis zwischen Höhe und kleinster Breite (h' : w') des Vorsprungs beispielsweise wenigstens etwa 0,5 : 1 oder größer, besonders bevorzugt etwa 1 : 1 oder größer, und ganz besonders bevorzugt wenigstens etwa 2:1 oder größer ist. Zusätzlich zu einem großen Seitenverhältnis oder anstelle eines großen Seitenverhältnisses gemäß der obigen Definition kann es bevorzugt sein, dass die Höhe h' des Vorsprungs oder der Struktur über der Hauptfläche des Gegenstandes beispielsweise etwa 0,1 Millimeter oder mehr, besonders bevorzugt etwa 0,2 Millimeter oder mehr, und ganz besonders bevorzugt etwa 0,4 Millimeter oder mehr misst.
Wenn der Gegenstand in Folien- oder Filmform vorliegt, so kann er vorteilhaft zur Herstellung von mechanischen Befestigungsmitteln verwendet werden (beispielsweise mechanische Befestigungsmittel vom Pilztyp oder Hakentyp). Wenn der Gegenstand als ein mechanisches Befestigungsmittel verwendet wird, so können die Vorsprünge 72 gemeinhin als Schäfte bezeichnet werden, obgleich der Gebrauch dieses Terminus' nicht den Anwendungsbereich der Gegenstände begrenzen soll, die unter Verwendung der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden.
Obgleich die Gegenstände, die mittels Werkzeugwalzen und Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, vorteilhafterweise als mechanische Befestigungsmittel verwendet werden, kommen für die Gegenstände auch vielfältige andere Verwendungszwecke in Frage, und die Werkzeugwalzen und Verfahren der Verwendung der Werkzeugwalzen zur Herstellung von Gegenständen mit strukturierten Oberflächen gemäß der vorliegenden Erfindung darf nicht auf das Gebiet der mechanischen Befestigungsmittel beschränkt werden. Beispielsweise können die Vorsprünge, die auf der strukturierten Oberfläche eines Gegenstandes gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet sind, Vorteile beim Halten von Klebstoffen oder sonstigen Beschichtungen oder Materialien, beispielsweise durch Vergrößern der Oberfläche des Films, bieten. Die strukturierten Oberflächen, die durch die Werkzeugwalzen ausgebildet werden, können sich auch für dekorative Zwecke, als Strömungskanäle, als Strukturen zur Senkung des Strömungswiderstandes, als Schleifmittelträger usw. eignen.
Die in den 2-4 veranschaulichten Formhohlräume 30 können im Wesentlichen gleichmäßige Querschnittsflächen entlang ihrer Tiefe von der Öffnung an der Oberfläche der Werkzeugwalze 10 bis zu den Formhohlraumböden 29 aufweisen. 8 ist eine vergrößerte Draufsicht auf einige ähnliche Formhohlräume 330, und die 9 und 10 sind Querschnittsansichten der Formhohlräume 330 entlang den Linien 9-9 bzw. 10-10. Die Formhohlräume 330 haben im Wesentlichen geradlinige tangentiale Querschnittsflächen entlang ihren Tiefen d. Mit "tangential" ist gemeint, dass der Querschnitt entlang einer Tangente zur Werkzeugwalze 310 betrachtet wird. Mit "geradlinig" ist gemeint, dass die Gestalt des Formhohlraums 330 im tangentialen Querschnitt durch im Wesentlichen planare Seiten gebildet wird.
Die Seiten 327 und 328 der Formhohlräume 330 können parallel sein, oder sie können derart mit einem Freiwinkel versehen sein, dass die Seiten 327 und 328 an den Öffnungen der Formhohlräume 330 weiter auseinander liegen als am Boden der Formhohlräume 330 oder umgekehrt.
Ein Vorteil der Werkzeugwalzen der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit, die Höhe h des Bodens 329 der Formhohlräume 330 über der Unterseite oder Innenfläche 324 des Drahtes 320 exakt zu steuern. Der Boden 329 des Formhohlraums 330 entspricht in der Regel dem Ende des Formhohlraums.
Die bevorzugten zylindrischen Basiswalzen 312 können präzisionsgeformt sein, so dass sie exakt gesteuerte Unrundheiten haben. Diese Präzisionsunrundheit in Kombination mit einer exakt gesteuerten Höhenabmessung h in den Drähten 320 kann Formhohlräume 330 mit im Wesentlichen gleichmäßigen Tiefen d, gemessen von der Außenfläche der Werkzeugwalze 310, bereitstellen. Die Toleranzen, auf die die Höhenabmessung h gesteuert werden können, sind im Allgemeinen relativ klein, und die Unrundheit der Basiswalze 312 kann exakt gesteuert werden, was zu einer insgesamt sehr engen Toleranzsteuerung in der fertigen Werkzeugwalze 310 führt.
11 zeigt eine weitere veranschaulichende Ausführungsform einer Werkzeugwalze 410 mit mehreren Formhohlräumen 430, die in eine Außenfläche der Werkzeugwalze 410 hinein öffnen. Die Oberfläche der Werkzeugwalze 410 kann mit zwei Drähten 420 und 420' umwickelt sein, wobei in jedem der Drähte Leerstellen ausgebildet sind, die, wenn sie zusammen gewickelt werden, die Formhohlräume 430 bilden. Ein Unterschied zwischen der Werkzeugwalze 410 und der Werkzeugwalze 10 (siehe beispielsweise 2) ist, dass die Werkzeugwalze 410 anstelle eines Abstandshalterdrahtes 40 mit einem im Wesentlichen gleichmäßigen Querschnitt zwei Drähte enthält, in denen jeweils Leerstellen ausgebildet sind. Ein Vorteil des Designs der Werkzeugwalzen 410 ist die Möglichkeit, Formhohlräume 430 mit einer höheren Dichte anzuordnen, d. h. die Abstände zwischen den Formhohlräumen 430 zu verringern.
Obgleich die veranschaulichte Werkzeugwalze 410 vorzugsweise unter Verwendung von zwei Drähten 420 und 420' hergestellt wird, versteht es sich, dass die Werkzeugwalze 410 auch unter Verwendung von drei oder mehr Drähten hergestellt werden könnte. Bei einer weiteren Alternative könnte die Werkzeugwalze 410 mit einem einzelnen Draht versehen sein, wobei in diesem Fall die Bezugszahlen 420 und 420' abwechselnde Windungen oder Wicklungen desselben Drahtes bezeichnen würden. Eine solche Ausführungsform kann eine noch strengere Steuerung der Abmessungen des Drahtes und der Basiswalze erfordern, um zu vermeiden, dass die Formhohlräume 430, die in benachbarten Windungen des Drahtes ausgebildet sind, auf derselben Linie liegen. Weil diese Steuerung eventuell schwer zu bewerkstelligen ist, kann es bevorzugt sein, zwei oder mehr unterschiedliche Drähte zu verwenden, wie oben besprochen.
Ein weiteres Merkmal, das bei der Herstellung von Werkzeugwalzen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist das Hinzufügen einer Galvanisierung oder sonstigen Beschichtung auf der Werkzeugwalze nach dem Aufwickeln. Solche Beschichtungen sind beispielsweise im US-Patent Nr. 6,190,594 (Gorman und Mitarbeiter) beschrieben. Das oder die zur Beschichtung verwendeten Materialien können je nach den gewünschten physikalischen Eigenschaften variieren. Zu einigen gewünschten physikalischen Eigenschaften können beispielsweise gehören: erhöhte Verschleißfestigkeit, kontrollierte Ablöseeigenschaften, kontrollierte Oberflächenrauigkeit, Bondung zwischen benachbarten Drahtwindungen usw. Einige bevorzugte Materialien können Metallbeschichtungen sein, besonders bevorzugt eine autokatalytische Nickelbeschichtung, Chrom usw.
Es kann wünschenswert sein, die Außenfläche der Werkzeugwalze nach dem Aufwickeln des einen oder der mehreren Drähte maschinell zu bearbeiten, um die Unrundheit in der fertigen Werkzeugwalze zu verbessern. Die maschinelle Bearbeitung kann vor oder nach dem Hinzufügen einer Galvanisierung oder sonstigen Beschichtung, wie oben beschrieben, erfolgen. Wo die bevorzugten Drähte Leerstellen enthalten, die mit einer festen Höhe über dem Innenrand des Drahtes ausgebildet sind (wie in Verbindung mit den 2-4 besprochen), kann eine maschinelle Bearbeitung der Außenfläche der Werkzeugwalze nach dem Aufwickeln die Gleichmäßigkeit der Tiefe der Formhohlräume verbessern.
Es kann ebenso wünschenswert sein, jegliche Grate, die beispielsweise vom Drahtstanzen und/oder einer maschinellen Bearbeitung der gewickelten Walze zurückgeblieben sind, zu entfernen, indem die Walze mit Natriumbicarbonat (Natriumhydrogencarbonat) oder einem ähnlichen Material abgestrahlt wird. Die fertige Werkzeugwalze kann auch auf ein gewünschtes Oberflächenfinish innerhalb der Formhohlräume und/oder auf der Außenfläche der Werkzeugwalze zwischen den Formhohlräumen hin bearbeitet werden. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, die Oberflächen der Werkzeugwalze zu schleifen, chemisch zu ätzen, sandzustrahlen, zu galvanisieren, zu beschichten oder anderweitig zu verändern.
US-Patent Nr. 6,190,594 (Gorman und Mitarbeiter) nennt ebenfalls Beispiele verschiedener Formen für Leerstellen in den Drähten, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, die von den oben besprochenen im Wesentlichen gleichmäßigen Leerstellen abweichen. Ein Vorteil der Werkzeugwalzen gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass die Leerstellen mit unterschiedlichen Formen und/oder Ausrichtungen ausgebildet werden können, um Formhohlräume herzu stellen, die ebenfalls unterschiedliche Formen und/oder Ausrichtungen haben. Es versteht sich, dass die Verwendung von einigen dieser Formhohlräume zur Herstellung eines fertigen Films mit gewünschten Vorsprüngen von der Harzauswahl und den Prozessbedingungen abhängt.
Bei einer weiteren Variante können Werkzeugwalzen gemäß der vorliegenden Erfindung Bereiche enthalten, in denen sich die Formhohlräume unterscheiden, wie in US-Patent Nr. 6,190,594 (Gorman und Mitarbeiter) beschrieben. Bei einem Beispiel können ein oder mehrere Bereiche mit Formhohlräumen versehen sein, während ein anderer oder mehrere andere Bereiche im Wesentlichen keine Formhohlräume aufweisen. Bei einem weiteren Beispiel können sich die Formhohlräume in den verschiedenen Bereichen unterscheiden. Werkzeugwalzen gemäß der vorliegenden Erfindung können alternativ Bereiche enthalten, in denen sich die Formhohlräume unterscheiden, die nicht gleichmäßig geformt sind und/oder die sich nicht um den Umfang der Werkzeugwalze herum erstrecken.
Obgleich die oben veranschaulichten Drähte im Wesentlichen rechtwinklige Querschnitte (quer zur Länge der Drähte gesehen) enthalten, kann es bevorzugt sein, Drähte mit anderen Querschnitten zu verwenden, wie im US-Patent Nr. 6,190,594 (Gorman und Mitarbeiter) besprochen.
12 veranschaulicht einen Prozess des Umwickelns einer Basiswalze 512 mit einem Draht 520, der Leerstellen 526 und einen Abstandshalterdraht 540 enthält, so dass eine Werkzeugwalze 510 entsteht, die mehrere Formhohlräume 530 enthält. Es versteht sich, dass auch mehr als zwei Drähte zusammen aufgewickelt werden können, falls das gewünscht wird. Es kann wünschenswert sein, eine Pressform 560 bereitzustellen, um die gewickelten Drähte 520 und 540 periodisch gegen die Drahtwickelfläche 550 zu drücken, damit die schrauben förmigen Windungen das oben besprochene gewünschte wellenförmige Profil annehmen. Die Pressform 560 wirkt in der Richtung 563 und kann in jedem beliebigen gewünschten Zeitintervall verwendet werden. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, Druck auf die Windungen auszuüben, nachdem nur ein Teil einer Windung herumgelegt wurde, nach mehreren Windungen, oder zu beliebigen, zufällig gewählten Zeitpunkten. Des Weiteren kann es wünschenswert sein, ein beliebiges geeignetes Mittel zusätzlich zum Anlegen von Druck zu verwenden, um die Windungen in der gewünschten Form zu halten. Beispielsweise es kann bevorzugt sein, während des Anlegens von Druck periodische Punktschweißungen an den gewickelten Drähten zu setzen, Klebstoff auf die gewickelten Drähte aufzutragen usw.
13 veranschaulicht einen Prozess, bei dem eine Werkzeugwalze 610 gemäß der vorliegenden Erfindung dafür verwendet werden kann, einen Film mit einer Topologie mit großem Seitenverhältnis herzustellen. Ein formbares Material 660 kann auf die Oberfläche der Werkzeugwalze 610 beispielsweise durch Extrusions- oder Gießformen aufgebracht werden, so dass ein Film 670 entsteht, der Vorsprünge 672 aufweist, die Repliken der Formhohlräume in der Werkzeugwalze 610 darstellen. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Adhäsion des Materials 660 an der Werkzeugwalze 610 geringer als die Kohäsion innerhalb des Materials 660 zum Zeitpunkt des Herunternehmens von der Werkzeugwalze 610. Es kann des Weiteren bevorzugt sein, dass die Adhäsion des Materials 660 an der Werkzeugwalze nicht die Zugfestigkeit des einen oder der mehreren Drähte übersteigt, die zur Herstellung der Werkzeugwalze 610 benutzt werden.
Es kann im Wesentlichen jedes beliebige formbare Material in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es kann bevorzugt sein, dass das formbare Material ein thermoplastisches Harz ist. Zu thermoplastischen Harzen, die sich extrusionsformen lassen und in Frage kommen, gehören beispielsweise Polyester wie beispielsweise Poly(ethylenterephthalat), Polyamide wie beispielsweise Nylon, Poly(styrenacrylnitril), Poly(acrylnitrilbutadienstyren), Polyolefine wie beispielsweise Polypropylen, und weichgemachtes Polyvinylchlorid. Ein bevorzugtes thermoplastisches Harz ist medium-stoßfestes Copolymer von Polypropylen und Polyethylen mit einem Schmelzindex von 15, das als 7C05N bei Union Carbide, Danbury, Connecticut, zu beziehen ist. Das thermoplastische Harz kann des Weiteren Mischungen, einschließlich Polyethylen- und Polypropylenmischungen, oder Copolymere wie beispielsweise Polypropylen-Polyethylen-Copolymere enthalten oder kann in mehreren Schichten oder in einander abwechselnden Zonen koextrudiert sein. Zusatzstoffe wie beispielsweise Weichmacher, Füller, Pigmente, Farbstoffe, Antioxidanzien, Trennmittel und dergleichen können ebenfalls in das formbare Material eingearbeitet werden.
Bei einem bevorzugten Prozess wird das Material 660 durch Extrusion in eine Quetschzone hinein bereitgestellt, die durch die Werkzeugwalze 610 und eine Stützwalze 680 gebildet wird. Die Stützwalze 680 erzeugt vorzugsweise etwas Druck, um dabei zu helfen, das formbare Material 660 in die Formhohlräume 630 (siehe 12), die in der Werkzeugwalze 610 angeordnet sind, hineinzudrücken. Alternativ kann die Stützwalze 680 durch jede beliebige sich kontinuierlich bewegende Oberfläche ersetzt werden, die dabei helfen kann, das Formmaterial in die Formhohlräume in der Werkzeugwalze 610 hineinzudrücken.
Im Inneren der Werkzeugwalze 610 kann ein Vakuum herrschen, um das Entfernen von Luft zu unterstützen, die andernfalls das vollständige Befüllen der Formhohlräume stören kann. In vielen Fällen braucht aber auch kein Vakuum angelegt zu werden, weil die Luft in den Formhohlräumen zwischen den Drähten entweicht, die zur Herstellung der Werkzeugwalze 610 verwendet werden. Oder anders ausgedrückt: Der Prozess kann auch ohne ein Vakuum durchgeführt werden.
Es kann auch wünschenswert sein, ein gewisses Maß an thermischer Steuerung in der Werkzeugwalze 610 und/oder in der Stützwalze 680 auszuüben. Je nach den Prozessbedingungen, den Temperaturen des formbaren Materials 660, den Eigenschaften des formbaren Materials 660 usw. kann es wünschenswert sein, entweder eine oder beide der Walzen 610 und 680 zu beheizen, eine oder beide der Walzen 610 und 680 zu kühlen oder eine der Walzen zu beheizen und die andere Walze zu kühlen.
Nachdem das Material 660 in die Formhohlräume in der Werkzeugwalze 610 hineingedrückt wurde und sich genügend abgekühlt hat, damit ein Film 670 mit Vorsprüngen 672 entsteht, welche die eine oder die mehreren gewünschten Formen beibehalten können, wird das Material 660 von der Werkzeugwalze 610 zur Weiterverarbeitung abgezogen, oder der Film 670 kann zu Rollen aufgewickelt werden. Wenn beispielsweise mechanische Befestigungsstreifen gewünscht sind, so kann der Film 674 in eine oder mehrere Stationen hineingeführt werden, um die Vorsprünge zu modifizieren, Klebstoffe aufzubringen und sonstige Verarbeitungen auszuführen, wie sie beispielsweise im US-Patent Nr. 5,845,375 (Miller und Mitarbeiter), im US-Patent Nr. 5,077,870 (Melbye und Mitarbeiter) und in den PCT-Schriften Nr. WO 98/57565, Nr. WO 98/57564, Nr. WO 98/30381 und Nr. WO 98/14086 besprochen sind.
Es kann wünschenswert sein, ein oder mehrere zusätzliche Materialien in die durch die Werkzeugwalze 610 und die Stützwalze 680 gebildete Quetschzone hineinzuführen, um dem Film 670 gewünschte zusätzliche Eigenschaften zu verleihen. Beispielsweise kann eine Gewebe- oder Vliesbahn in die Quetschzone hineingeleitet werden. Alternativ kann der Film 670 an eine oder mehrere zusätzliche Schichten beispielsweise durch Wärme, Klebstoffe, Koextrusion usw. laminiert werden.
14 ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung von 13 entlang der Linie 14-14 in 13. Die Werkzeugwalze 610 enthält Formhohlräume 630, die mit dem formbaren Material befällt sind, so dass Vorsprünge 672 auf dem Film 670 entstehen. Des Weiteren sind in 14 zwei erhöhte Strukturen 682 veranschaulicht, die auf der Stützwalze 680 ausgebildet sind. Ein Vorteil der erhöhten Strukturen 682 auf der veranschaulichten Stützwalze 680 ist, dass jede der erhöhten Strukturen eine Sollbruchlinie oder -zone entstehen lassen kann, entlang der der Film 670 abgetrennt werden kann. Die erhöhten Strukturen 682 sind jedoch optional und brauchen nicht in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung vorhanden zu sein.
Ein weiteres optionales Merkmal, das in die Stützwalze 680 eingearbeitet sein kann, ist die Hinzufügung einer Struktur zu der Oberfläche der Walze 650, um ihre Oberfläche zu vergrößern. Die vergrößerte Oberfläche auf der Stützwalze 680 kann die Oberfläche auf dem Film 670 vergrößern, wodurch die Adhäsion von Klebstoffen verbessert wird, die auf der Rückseite 674 des Films 670 angeordnet sind. Ein Beispiel einer brauchbaren Struktur könnte ein mikrogeprägtes Muster aus linearen Prismen in der Größenordnung von etwa 400 Linien je Inch (160 Linien je Zentimeter) sein.
15 veranschaulicht einen weiteren Prozess, bei dem drahtgewickelte Werkzeugwalzen mit darin ausgebildeten Formhohlräumen verwendet werden. Mit dem veranschaulichten Prozess entsteht ein Film 770 mit Vorsprüngen 772, die sich von einer Seite des Films aus erstrecken, und mit Vorsprüngen 772', die sich von der gegenüberliegenden Seite des Films 770 aus erstrecken. Der zweiseitige Film 770 wird durch gegenüberliegende Werkzeugwalzen 710 und 710' hergestellt, in denen jeweils Formhohlräume ausgebildet sind. Die Vorsprünge 772 und 772' können die gleichen Eigenschaften hinsichtlich Größe, Gestalt, Ausrichtung usw. haben, oder sie können unterschiedlich sein.
16 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht der Berührungsstelle einer weiteren Werkzeugwalze 810 mit einer Stützwalze 880. Der Film 870 befindet sich zwischen den zwei Walzen 810 und 880, und eine Oberfläche des Films 870 wird mit einer Reihe von darauf befindlichen im Wesentlichen kontinuierlichen Erhöhungen ausgebildet, die im Wesentlichen negative Bilder der Struktur auf der Werkzeugwalze 810 darstellen.
Die Werkzeugwalze 810 wird durch Drähte 820 und 840 gebildet, die schraubenförmig um eine Basiswalze 812 gewickelt sind. Der Draht 840 hat ein höheres Profil als der andere Draht 820, was eine Werkzeugwalze 810 zum Ergebnis hat, auf der zwischen den Windungen des Drahtes 840 Rillen ausgebildet sind. Obgleich die Drähte 820 und 840 mit im Wesentlichen rechtwinkligen Profilen offenbart sind, könnten sie alternativ auch eine andere Form aufweisen, wobei in einem solchen Fall der Film 870 ebenfalls mit einer Form ausgebildet werden würde, die sich von der in 14 veranschaulichten Form unterscheidet. Es versteht sich des Weiteren, dass auch zwei Werkzeugwalzen in einem Prozess verwendet werden könnten, der dem in 15 gezeigten Prozess ähnelt, um einen Film mit Strukturen oder Vorsprüngen auf beiden Hauptseiten des Films auszubilden.
Obgleich die Rillen, die durch die Drähte 820 und 840, die um die Werkzeugwalze 810 von 16 herum gewickelt sind, gebildet werden, kontinuierlich um den Umfang der Walze 810 herum verlaufen können, können sie auch diskontinuierlich sein. 17 ist eine Drauf sicht auf eine Werkzeugwalze 810', die Formhohlräume 830' enthält, die sich um eine gewisse Länge um die Werkzeugwalze 810' herum erstrecken, aber nicht in einer kontinuierlichen schraubenförmigen Rille ausgebildet sind, wie oben in Verbindung mit 16 besprochen. Die länglichen Formhohlräume 830' können durch Drähte gebildet werden, in denen – wie oben besprochen – Leerstellen ausgebildet sind. Die Leerstellen in den Drähten, die in der Walze 810' verwendet werden, erstrecken sich jedoch um längere Distanzen über die Länge der Drähte.
Diese länglichen Leerstellen können eine gleichmäßige Größe und einen gleichmäßigen Abstand aufweisen, wie in den obigen Werkzeugwalzen gezeigt, oder sie können ungleichmäßige Größen und ungleichmäßige Abstände aufweisen. Die Werkzeugwalze 810' veranschaulicht einen Draht mit Leerstellen, die ungleichmäßige Größen und Abstände aufweisen, der, wenn er um eine Basiswalze herum gewunden ist, Formhohlräume 830' mit ungleichmäßigen Größen und Abständen bildet.
Der Film, der mit einer Walze wie beispielsweise der Werkzeugwalze 810' hergestellt wird, enthält längliche Vorsprünge 872', wie in 18 veranschaulicht. Weil die Formhohlräume 830' in der Walze 810' ungleichmäßige Größen und Abstände aufweisen, haben die länglichen Vorsprünge 872' ebenfalls ungleichmäßige Größen und Abstände.

Claims

Werkzeugwalze, aufweisend: eine zylindrische Basiswalze, die ein erstes und ein zweites Ende aufweist, die entlang einer Längsachse voneinander beabstandet sind; einen ersten Draht, der mehrere darin ausgebildete erste Leerstellen aufweist, wobei der erste Draht in schraubenförmigen Windungen um die Basiswalze herum gewunden ist, wobei die mehreren ersten Leerstellen in dem ersten Draht mehrere erste Hohlräume bilden, wobei jeder Hohlraum der mehreren ersten Hohlräume an einer Außenfläche der Werkzeugwalze eine Öffnung aufweist; wobei ein Abstand zwischen dem ersten Draht und einer Bezugsebene quer zur Längsachse der Basiswalze beim Bewegen in einer Richtung um einen Umfang der Basiswalze herum mindestens einmal der Reihe nach zunimmt und abnimmt.
Werkzeugwalze nach Anspruch 1, ferner aufweisend einen zweiten Draht, der um die Basiswalze herum gewunden ist, wobei der zweite Draht zwischen benachbarten schraubenförmigen Windungen des ersten Drahtes angeordnet ist.
Werkzeugwalze nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Drahtwickelfläche nahe dem ersten Ende der Basiswalze, wobei der erste Draht einem Profil der ersten Drahtwickelfläche entspricht.
Werkzeugwalze nach Anspruch 2, wobei der zweite Draht und die mehreren ersten Leerstellen in dem ersten Draht mehrere erste Hohlräume bilden, wobei jeder Hohlraum der mehreren ersten Hohlräume an einer Außenfläche der Werkzeugwalze eine Öffnung aufweist.
Werkzeugwalze nach Anspruch 1 oder 4, wobei der erste Draht zwei gegenüberliegende Seitenwände aufweist, wobei ein Innenrand der Basiswalze zugewandt ist und ein Außenrand von der Basiswalze nach außen weist, und wobei ferner mindestens eine der zwei gegenüberliegenden Seitenwände eine Oberflächenstruktur aufweist.
Werkzeugwalze nach Anspruch 2 oder 4, wobei der zweite Draht zwei gegenüberliegende Seitenwände aufweist, wobei ein Innenrand der Basiswalze zugewandt ist und ein Außenrand von der Basiswalze nach außen weist, und wobei ferner mindestens eine der zwei gegenüberliegenden Seitenwände eine Oberflächenstruktur aufweist.
Verfahren zum Ausbilden einer strukturierten Oberfläche auf einem Gegenstand, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Bereitstellen einer Werkzeugwalze, aufweisend eine zylindrische Basiswalze, die ein erstes und ein zweites Ende aufweist, die entlang einer Längsachse voneinander beabstandet sind; einen ersten Draht, der mehrere darin ausgebildete erste Leerstellen aufweist, wobei der erste Draht in schraubenförmigen Windungen um die Basiswalze herum gewunden ist, wobei die mehreren ersten Leerstellen in dem ersten Draht mehrere erste Hohlräume bilden, wobei jeder Hohlraum der mehreren ersten Hohlräume an einer Außenfläche der Werkzeugwalze eine Öffnung aufweist; wobei ein Abstand zwischen dem ersten Draht und einer Bezugsebene quer zur Längsachse der Basiswalze beim Bewegen in einer Richtung um einen Umfang der Basiswalze herum mindestens einmal der Reihe nach zunimmt und abnimmt; Inkontaktbringen eines formbaren Materials mit der Außenfläche der Werkzeugwalze, um die strukturierte Oberfläche unter Verwendung der Außenfläche der Werkzeugwalze auszubilden, wobei das formbare Material mindestens teilweise mindestens einige der ersten Hohlräume ausfüllt; und Abnehmen der strukturierten Oberfläche von der Außenfläche der Werkzeugwalze, wobei die strukturierte Oberfläche mehrere Vorsprünge aufweist, die den mehreren ersten Hohlräumen entsprechen.
Verfahren zum Ausbilden einer strukturierten Oberfläche auf einem Gegenstand, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Bereitstellen einer Werkzeugwalze, aufweisend eine zylindrische Basiswalze, die ein erstes und ein zweites Ende aufweist, die entlang einer Längsachse voneinander beabstandet sind; einen ersten Draht, der in schraubenförmigen Windungen um die Basiswalze herum gewunden ist, wobei ein Abstand zwischen dem ersten Draht und einer Bezugsebene quer zur Längsachse der Basiswalze beim Bewegen in einer Richtung um einen Umfang der Basiswalze herum mindestens einmal der Reihe nach zunimmt und abnimmt; einen zweiten Draht, der in schraubenförmigen Windungen um die Basiswalze herum gewunden ist, wobei der zweite Draht zwischen benachbarten schraubenförmigen Windungen des ersten Drahtes angeordnet ist und wobei die schraubenförmigen Windungen des ersten und des zweiten Drahtes einander entlang der Längsachse abwechseln, und wobei ferner eine Höhe des ersten Drahtes über der Basiswalze geringer ist als eine Höhe des zweiten Drahtes über der Basiswalze, wodurch eine schraubenförmige Rille auf einer Außenfläche der Werkzeugwalze gebildet wird, wobei die schraubenförmige Rille der Gestalt des ersten Drahtes entspricht; Inkontaktbringen eines formbaren Materials mit der Außenfläche der Werkzeugwalze, um eine strukturierte Oberfläche auf einem Gegenstand unter Verwendung der Außenfläche der Werkzeugwalze auszubilden, wobei das formbare Material mindestens teilweise mindestens einen Abschnitt der schraubenförmigen Rille ausfüllt, die durch den ersten und den zweiten Draht gebildet wird; und Abnehmen der strukturierten Oberfläche von der Werkzeugwalze, wobei die strukturierte Oberfläche eine Reihe von Erhöhungen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die schraubenförmige Rille im Wesentlichen durchgängig um die Außenfläche der Werkzeugwalze herum und auf der Außenfläche der Werkzeugwalze entlang verläuft.
Werkzeugwalze oder Verfahren nach Anspruch 1, 4, 7 oder 8, wobei der Abstand zwischen dem ersten Draht und der Bezugsebene beim Bewegen in einer Richtung um den Umfang der Basiswalze herum zweimal oder öfter der Reihe nach zunimmt und abnimmt.
Werkzeugwalze oder Verfahren nach Anspruch 1, 4, 7 oder 8, wobei der Abstand zwischen dem ersten Draht und der Bezugsebene beim Bewegen in einer Richtung um den Umfang der Basiswalze herum in einem gleichmäßigen Muster der Reihe nach zunimmt und abnimmt.
Werkzeugwalze oder Verfahren nach Anspruch 1, 4, 7 oder 8, wobei der Abstand zwischen dem ersten Draht und der Bezugsebene beim Bewegen in einer Richtung um den Umfang der Basiswalze herum in einem ungleichmäßigen Muster der Reihe nach zunimmt und abnimmt.
Werkzeugwalze oder Verfahren nach Anspruch 1, 4, 7 oder 8, wobei der erste Draht ein sinusförmiges schraubenförmiges Muster um den Umfang der Walze herum bildet.