Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen einer Scherfolie, ein Verfahren zum Herstellen einer Scherfolie, eine Scherfolie für einen Rasierapparat sowie einen Rasierapparat mit einer Scherfolie.

Scherfolien für Rasierer sind grundsätzlich bekannt. Viele dieser bekannten Scherfolien bestehen im Wesentlichen aus Nickel oder Nickellegierungen. Diese bekannten Scherfolien werden gewöhnlich mittels eines galvanischen Abscheideverfahrens hergestellt. Außerdem ist eine Scherfolien bekannt, bei der Löcher durch Stanzen gebildet werden und eine Lochranderhöhung durch ein anschließendes Prägen der bekannten Scherfolie erzeugt wird.

Problematisch bei der Verwendung von Nickel einerseits ist, dass ein nicht unerheblicher Teil der Menschen, nach Schätzung des Erfinders mindestens 10%, allergische dermatologische Reaktionen bei Berührung mit Nickel zeigt.

Nachteilig bei einer Lochranderzeugung mittels Prägen andererseits ist ein dadurch hervorgerufener negativer Schneidwinkel, der sich ungünstig auf das Schneidverhalten eines mit einer solchen bekannten Scherfolie versehenen Rasierers auswirkt. Außerdem ist ein solches Herstellungsverfahren hinsichtlich des Zeitaufwandes als ineffizient zu bezeichnen.

Eine der Erfindung zugrunde liegende technische Aufgabe ist es daher, eine verbesserte Vorrichtung oder ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer weitestgehend nickel- freien Scherfolie vorzuschlagen.

Außerdem ist es eine der Erfindung zugrundeliegende technische Aufgabe, eine verbesserte und weitestgehend nickelfreie Scherfolie sowie einen Rasierapparat mit einer solchen Scherfolie vorzuschlagen.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die technische Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Herstellen einer Scherfolie aus einer korrosionsbeständigen Stahlfolie, die eine Matrize, einen Niederhalter und einen Stempel umfasst. Die Matrize weist eine dem Stempel zugewandte Auflagefläche für eine zu lochende korrosionsbeständige Stahlfolie mit einer Aussparung auf, wobei im Bereich eines Übergangs von der Auflagefläche zur Aussparung eine Anfasung vorgesehen ist. Der Niederhalter ist zum Niederhalten einer korrosionsbeständigen Stahlfolie auf der Auflagefläche der Matrize ausgebildet. Der Stempel ist zum Umformen und Stanzen einer auf der Matrize niedergehaltenen Stahlfolie ausgebildet. Ferner ist die Vorrichtung ausgebildet, den Stempel derart zu führen, dass dieser eine niedergehaltene Stahlfolie bei der Aussparung zunächst an die Anfasung zum Erzeugen einer Lochranderhöhung drückt und sodann locht und die korrosionsbeständige Stahlfolie nach einem ersten Stanzvorgang relativ zur Matrize zu verschieben, so dass nach einem erneuten Stanzvorgang eine mehrfach gelochte korrosionsbeständige Stahlfolie als Scherfolie verbleibt.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass in einem einzigen Stanzvorgang sowohl ein Umformen als auch ein Lochen der korrosionsbeständigen Stahlfolie erfolgt. Der Stempel formt die korrosionsbeständige Stahlfolie (im Folgenden auch als Stahlfolie bezeichnet) durch Andrücken an die Anfasung der Aussparung um. Im Rahmen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff des Umformens insbesondere das Erzeugen der Lochranderhöhung. Die Lochranderhöhung bezeichnet die Erhöhung eines gestanzten Lochs gegenüber einer Oberfläche der korrosionsbeständi- gen Stahlfolie. Lochranderhöhungen der Löcher einer mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Scherfolie weisen in Richtung eines zu installierenden Schermessers. Die Lochranderhöhung ermöglicht einen geringen Schneidspalt zwischen Scherfolie und Schermesser. Außerdem reduziert die Lochranderhöhung insgesamt eine Kontakt- fläche zwischen Scherfolie und Schermesser und sorgt somit für eine lange Standzeit des Schermessers.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass die fertigungstechnischen Eigenschaften der Matrize maßgeblich für die Geometrie der Lochranderhöhung und der Lochung selbst sind. Außerdem ist die Lochranderhöhung aller Löcher einer mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Scherfolie in etwa gleich groß.

Die Aussparung in der Matrize ist im Wesentlichen eine Vertiefung oder ein Loch, in die bzw. in das der Stempel der Vorrichtung zum Zwecke des Umformens und des Stanzens fährt. Ein durch das Stanzen entstehender Lochabfall verbleibt unterhalb der korrosions- beständigen Stahlfolie. Ein Umfangsverlauf der Aussparung ist beispielsweise kreisförmig, oval, drei-, vier- oder mehreckig.

Eine Anfasung meint im Rahmen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung eine im Übergang von der Auflagefläche zur Aussparung hin geneigte Schräge oder Rampe.

Nach einem ersten Stanzvorgang fährt der Stempel der Vorrichtung bevorzugt wieder aus der Aussparung heraus. Danach verschiebt die Vorrichtung die zu lochende Stahlfolie relativ zum Stempel und zur Matrize. Bevorzugt sind Stempel und Matrize bezüglich der Horizontalen fest zueinander angeordnet. Nach Verschiebung der Stahlfolie erfolgt ein neuer Stanzvorgang.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform be- vorzugt eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, den Niederhalter, den Stempel und das Verschieben der zu lochenden Stahlfolie aufeinander abgestimmt zu steuern, beispielsweise gemäß einer CNC- (engl.: Computerized Numerical Control) Steuerung.

Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Die zusätzlichen Merkmale dieser weiteren Ausführungsformen können miteinander und/oder mit oben bereits beschriebenen optionalen Merkmalen zur Bildung anderer Ausführungsformen kombiniert werden, soweit sie nicht ausdrücklich als alternativ zueinander beschrieben sind.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Aussparung der Matrize derart ausgestaltet, dass die Scherfolie einen positiven Schneidwinkel aufweist. Der Schneid- winkel bezeichnet im Rahmen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung den innen- liegenden Winkel zwischen einer der Haut zuzuwendenden Oberfläche der Scherfolie und einer Innenmantelfläche des gestanzten Lochs. Ein positiver Schneidwinkel ist ein Winkel größer oder gleich 90°. In Bezug auf eine Oberfläche eines unterhalb des Lochs befindlichen Schermessers bedeutet ein positiver Schneidwinkel einen Winkel kleiner oder gleich 90°. Beispielsweise zeigen die weiter unten angeführten Abbildungen 108 und 109 einen positiven Schneidwinkel von ca. 90° bei einer mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellten Scherfolie. Ein positiver Schneidwinkel wirkt sich besonders gut auf das Schneidverhalten der Scherfolie aus.

In einer bevorzugen Ausführungsform weist die Anfasung eine Geometrie einer Kegel- mantelfläche auf. Dabei liegt der Winkel zur Auflagefläche beispielsweise im Bereich von 1 ° bis 40°. Bevorzugt sind grundsätzlich kleine Winkel und eine damit einhergehende kurze Lochranderhöhung. Es sind aber auch Ausführungsformen möglich, bei denen der Winkel 20°, 25° oder 30° beträgt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die die Anfasung einen Winkel zur Auflagefläche auf, der mit steigender Entfernung von der Auflagefläche weg zur Aussparung hin zunimmt. Dies hat den Vorteil, dass zum einen der Umformvorgang einen stetigen Kraft-Weg-Verlauf zeigt und dadurch die Standzeit der Werkzeuge der Vorrichtung, insbesondere des Stempels und der Matrize, und die Stanzgeschwindigkeit erhöht werden kann, und zum anderen, dass die durch den Umformprozess entstehenden Restei- genspannungen der Stahlfolie reduziert wird und somit eine etwaiges Zurückfedern nach dem Stanzvorgang derselben verhindert wird.

Bevorzugt ist eine Andruckfläche des Stempels kegelförmig. Alternativ hat der Stempel eine ebene Andruckfläche. Die kegelförmige Andruckfläche hat den Vorteil, dass ein Hochreißen von Lochabfällen, die beim Stanzen entstehen, verhindert wird. Der halbe Öffnungswinkel beträgt beispielsweise in etwa 85°.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte technische Aufgabe gelöst für ein Verfahren zum Herstellen einer Scherfolie aus einer korrosionsbeständigen Stahlfolie. Das Verfahren des zweiten Aspektes der Erfindung umfasst die Schritte:

- Bereitstellen der korrosionsbeständigen Stahlfolie, Anordnen der korrosionsbeständigen Stahlfolie auf einer einem Stempel zugewandten Auflagefläche einer Matrize, wobei die Matrize eine Aussparung aufweist und im Bereich eines Übergangs von der Auflagefläche zur Aussparung eine Anfa- sung vorgesehen ist,

- Niederhalten der korrosionsbeständigen Stahlfolie auf der Auflagefläche der Matrize und

Umformen und Stanzen der niedergehaltenen Stahlfolie durch

Führen des Stempels derart, dass dieser die niedergehaltene Stahlfolie bei der Aussparung zunächst an die Anfasung zum Erzeugen einer Lochrander- höhung drückt und sodann locht und

Verschieben der korrosionsbeständigen Stahlfolie nach einem ersten Stanzvorgang relativ zur Matrize, so dass nach einem erneuten Stanzvorgang eine mehrfach gelochte korrosionsbeständige Stahlfolie als Scherfolie verbleibt.

Das Verfahren des zweiten Aspektes der Erfindung teilt die Vorteile der Vorrichtung des ersten Aspektes der Erfindung.

Nachstehend werden weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Die zusätzlichen Merkmale dieser weiteren Ausführungsformen können miteinander zur Bildung anderer Ausführungsformen kombiniert werden, soweit sie nicht ausdrücklich als alternativ zueinander beschrieben sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die korrosionsbeständige Stahlfolie derart verschoben, dass die Löcher der Scherfolie einen Lochmittenabstand im Bereich von 0,5 mm bis 2,5 mm zueinander aufweisen.

Die Lochranderhöhung liegt bei einer Ausführungsform des Verfahrens im Bereich von 0,01 mm bis 0,03 mm. Grundsätzlich ist eine geringe Lochranderhöhung bevorzugt.

Eine Ausführungsform des Verfahrens umfasst den zusätzlichen Schritt: Nachbearbeiten der Scherfolie durch Abschleifen des Lochrandes eines Lochs an der der Lochranderhöhung zugewandten Seite zum Erzeugen einer Schneidfläche.

Dies hat den Vorteil, dass eventuelle Höhenunterschiede zwischen den jeweiligen Lochranderhöhungen ausgeglichen werden.

Einen dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung bildet eine Scherfolie aus korrosionsbeständigem Stahl für einen Rasierapparat, aufweisend eine Vielzahl Löcher mit jeweiliger Lochranderhöhung, wobei ein jeweiliges der Vielzahl Löcher mit Lochranderhöhung durch einen einzigen Stanzvorgang erzeugt ist.

Die erfindungsgemäße Scherfolie ist vergleichsweise schnell und unaufwendig herstellbar und zeichnet sich durch eine hohe Hautverträglichkeit aus.

Bevorzugt weist ein jeweiliges Loch der Scherfolie einen positiven Schneidwinkel auf.

Bevorzugt ist die Scherfolie hergestellt durch:

Bereitstellen einer korrosionsbeständigen Stahlfolie,

Anordnen der korrosionsbeständigen Stahlfolie auf einer einem Stempel zuge- wandten Auflagefläche einer Matrize, wobei die Matrize eine Aussparung aufweist und im Bereich eines Übergangs von der Auflagefläche zur Aussparung eine Anfa- sung vorgesehen ist,

Niederhalten der korrosionsbeständigen Stahlfolie auf der Auflagefläche der Matrize und

- Umformen und Stanzen der niedergehaltenen Stahlfolie durch

Führen des Stempels derart, dass dieser die niedergehaltene Stahlfolie bei der Aussparung zunächst an die Anfasung zum Erzeugen einer Lochranderhöhung drückt und sodann locht und

Verschieben der korrosionsbeständigen Stahlfolie nach einem ersten Stanz- Vorgang relativ zur Matrize, so dass nach einem erneuten Stanzvorgang ei- ne mehrfach gelochte korrosionsbeständige Stahlfolie als Scherfolie verbleibt.

Der korrosionsbeständige Stahl (im Folgenden auch als Stahlfolie bezeichnet) ist bevorzugt weitestgehend nickelfrei. Beispielsweise umfasst die korrosionsbeständige Stahlfolie Chromstahl. Die Dicke der Scherfolie liegt bevorzugt im Bereich von 0,02 mm bis 0,05 mm.

Die Löcher der Scherfolie weisen bevorzugt einen Durchmesser auf, der im Bereich von 0,15 mm bis 0,75 m liegt.

Einen vierten Aspekt der Erfindung bildet ein Rasierapparat mit einer Scherfolie des dritten Aspektes der Erfindung.

Merkmale einer oder mehrerer bestimmter Ausführungsformen eines Aspektes der Erfindung lassen sich sinngemäß zur Bildung einer nicht bereits ausdrücklich beschriebenen Ausführungsform eines anderen Aspektes der Erfindung heranziehen. Beispielsweise ist also die Vorrichtung des ersten Aspektes der Erfindung bevorzugt ausgebildet, eine korrosionsbeständige Stahlfolie mit einer Dicke im Bereich von 0,02 mm bis 0,05 mm zu verarbeiten.

Nachfolgend sind die oben geschilderten Aspekte der vorliegenden Erfindung sowie ihre Vorteile im Detail und anhand von Beispielen ausführlich beschrieben. Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens sind insbesondere in Abbildung 73 und in Abbildung 74 veranschaulicht. In Abbildung 1 12 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Scherfolie dargestellt. Abbildungen 108 und 109 zeigen deutlich den positiven Schneidwinkel von etwa 90° einer durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. durch die erfindungsgemäße Vorrichtung hergestellten Scherfolie. Kurzfassung

Der Einsatz von elektrischen Rasierapparaten hat sich heute schon millionenfach bewährt. Empfinden doch viele Kunden die Handhabung und Anwendung solcher Geräte als angenehmere Alternative zur Nassrasur. Auch die technologische Entwicklung der Rasierapparate ist mittlerweile so weit fortgeschritten, dass bereits jegliche Kundenwünsche erfüllt werden. Jedoch stellen neue Erkenntnisse aus dermatologischen Studien, über die schlechte Hautverträglichkeit von Nickel, eine Herausforderung für die Hersteller dieser Geräte dar. Ist doch ein galvanisches Herstellverfahren für die Scherfohen aus reinem Nickel zurzeit bei vielen Produzenten üblich. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Analyse zu einem alternativen Herstellverfahren dieser Scherfohen aus korrosionsbeständigem Stahl. Ein Wechsel des Werkstoffes hat zur Folge, dass ein neues Produktionsverfahren entwickelt werden muss. In dieser Arbeit wurde versucht, die Scherfohe in Funktionen zu klassifizieren, um daraus die Eigenschaften einer solchen zu definieren. Nach Festlegung dieser Eigenschaften wurden verschiedene Stanz- bzw. Umformkonzepte gegenübergestellt und ein Versuchswerkzeug hergestellt. Dabei bestand die Innovation dieser Arbeit in einer besonderen Gestaltung der Schnittelemente zur Herstellung der Lochranderhöhung welche für Scherfohen unbedingt notwendig sind. Die Fertigung der Werkzeugkomponenten war durchaus mit Herausforderungen verbunden, da die Größenordnung der gestanzten Löcher bereits die Mikroproduktionstechnik tangiert und dadurch besondere Fertigungsverfahren mit niedrigen Toleranzen gefordert waren. Die Ergebnisse und Interpretation dieser Versuche, sind in dieser Arbeit ebenso enthalten wie ein Ausblick über eine mögliche Weiterentwicklung zur Serienreife.

4 Zielsetzungen der Arbeit

Ausgehend von den gesammelten Daten über das Lochen von kleinen Durchmessern, soll nun ein Konzept erstellt werden, welches dabei helfen soll, einen Lösungsweg zum Entwickeln eines neuen Produktionsverfahrens zu finden. Die Zielsetzung besteht am Ende dieser Arbeit jedoch nicht dann, ein fertiges Verfahren zu präsentieren, sondern verschiedene Optionen zu prüfen und jene mit dem größten Potenzial mittels einer Versuchsdurchführung auszuprobieren. In einer abschließenden Bewertung soll dann eine Aussage darüber getroffen werden, ob das gewählte Verfahren für eine mögliche Serienreife weiterentwickelt werden kann, oder ob es aufgrund auftretender Probleme verworfen werden muss.

Die Zielsetzung dieser Diplomarbeit kann also wie folgt kurz zusammengefasst werden:

1 . Untersuchung und Bewertung von Schneidkonzepten für eine Scherfohe

2. Auswahl eines Konzeptes

3. Konstruktion und Entwicklung eines Versuchswerkzeuges

4. Versuchsdurchführung mit Werkzeug

5. Bewertung der Ergebnisse

6. Ausblick hinsichtlich Serienproduktion

Da bei der Scherfohe ein Wechsel des Werkstoffs und des Verfahrens zwangsläufig auch eine Veränderung der Stoffeigenschaften und der Lochbzw. Foliengeometrie zur Folge hat, soll in einer Funktionenanalyse das Scherblatt hinsichtlich seiner Funktionen und der Erfüllung dieser beschrieben werden.

Die Bewertung und Auswahl des Schneidkonzeptes erfolgt mittels Beurteilung der Vor- und Nachteile der einzelnen Varianten.

Mit der Durchführung einer FMEA sollen nach der Auswahl des Schneidverfahrens, mögliche Fehlerquellen frühzeitig erkannt werden und mögliche Gegenmaßnahmen schon in der Konstruktionsphase berücksichtigt werden.

Bei der Konstruktion und dem Bau des Versuchswerkzeuges soll aus Kostengründen besonders darauf geachtet werden, dass möglichst viele Normteile zum Einsatz kommen.

Zur Versuchsdurchführung stehen entweder eine Kniehebelpresse, ein Stanzautomat mit 30OkN Druckkraft (Bruderer) oder eine CNC- Koordinatenschleifmaschine zur Verfügung.

Die Bewertung der Versuchsergebnisse soll mittels optischer Mikroskope, einem IFM (Infinite Focus Microscope) und REM (Rasterelektronenmikroskop) erfolgen.

Zielsetzungen der Arbeit 5 Konzeptentwicklung

Nach den gesammelten Erkenntnissen besteht nun der nächste wichtige Schritt in der Entwicklung eines Konzeptes für die weitere Vorgehensweise.

Zunächst wird die aktuelle Scherfolie (Nickel - galvanisches Herstellverfahren) beschrieben. Darauf folgt eine Funktionenanalyse, in der die Scherfolie bzw. deren Eigenschaften unabhängig von Material und Produktionsverfahren beschrieben werden. Anschließend sollen im Bezug auf diese Analyse und der Gegenüberstellung verschiedener Schneidkonzepte eine Bewertung und die Entscheidung für eine Versuchsmethode fallen.

5.1 Beschreibung der aktuellen Scherfolie

Die gegenwärtig zum Einsatz gebrachten Folien werden wie in Kapitel 3 Bei der aktuell hergestellten Folie ist nur rund ein Viertel der Fläche beschrieben aus reinem Nickel galvanisch hergestellt. Abbildung 65 zeigt eine die eigentliche Haarschneide- Scherfolie in der Draufsicht im ebenen, also nicht um das Schermesser zone. In der umliegenden Zone gekrümmten, Zustand. dürfen keine Haare durch die Folie eindringen.

Abbildung 65: Ansicht Scherblatt im ebenen Zustand

Die eigentliche Haarschneidezone (grün markierte Fläche) deckt etwa nur ein Viertel der Gesamtfläche in der Mitte des Scherblattes ab. Dieser Bereich wird umrandet von einer Zone mit kleineren Lochdurchmessern (rot markierte Fläche). Da hier kein Formschluss zum Messer mehr besteht, sollen diese verhindern, dass Barthaare eindringen können, um ein schmerzhaftes Reißen an ihnen zu verhindern. Abbildung 66 zeigt das Lochmuster im Detail. Die größten Lochdurchmesser betragen 00,53mm die kleinsten 00,33mm, der Lochabstand beträgt 0,7mm.

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Der Lochrand wird an der Oberseite, welche zugleich die der Haut zugewendete Seite darstellt, bedingt durch das vertikale und laterale Wachstum der Schichtdicke beim galvanischen Abscheiden optimal verrundet An der Unterseite besteht eine 0,01 5mm hohe Lochranderhohung (siehe Abbildung 67)

_D urch den Einbau in den Scherkopf des Rasierapparates wird die Scherfohe Die scherfohe wird formschiussig über das Schermesser gespannt formschiussig ^r über das Schermesser gesprannt Der Schneidsp ralt zwischen Folie N .,ach , einer k , urzen P _D h, ase d ,es und Messer ist somit theoretisch Null Nach wenigen Rasieranwendungen, Emschieifens erreicht der Rassier- wenn also Folie und Messer aufeinander „eingeschliffen" sind, erreicht der appara ^t d ⁱ e op ^ti male Le ⁱ s ^t ung

Apparat seine optimale Rasierleistung Solange die Schneidkanten des Messers und der Folie noch nicht verrundet sind und die Lochranderhohung abgenutzt ist, ist die Schneidleistung des Geräts in Ordnung Wenn jedoch diese oben genannten Effekte einzutreten beginnen, reduziert sich die Rasierleistung signifikant Hersteller empfehlen deswegen einen regelmäßigen Tausch der

Scherkomponenten

5.2 Funktionenanalyse Scherfolie

Es ist unmöglich mit zwei verschiedenen Materialien und Fertigungsverfahren Die Funktionenanalyse soll helfen die Funktionen einer Scherfolie eine identische Scherfolie herzustellen Darum sollen hier zunächst in einer _{festzuste//en um daraus die}

Funktionenanalyse die Aufgaben und Eigenschaften der Scherfohe definiert Eigenschaften einer Folie aus werden Diese Festlegung soll dann bei der Erstellung des Stanz- und stahl zu definieren Umformkonzeptes helfen Losungen zu finden

Konzeptentwicklung b.2.1 Das Werkzeug - hunktionenanalyse

Dabei ist es von Vorteil, sich von den bisherigen Lösungsprinzipien gedanklich zu trennen. (Naefe 2008, S.52)

Nach Akiyama (1 994, S .29f f) geht man mit einem sogenannten dreistufigen Vorgehenskonzept vor:

1 . Erfassen des Analyseobjektes

2. Benennen der Funktionen

3. Strukturieren der Funktionen

Der erste Schritt beinhaltet hauptsächlich das Sammeln von Daten über das ^{Nach dem} sammeln von Da ^t en

. . . . _ . . _M , i _Λ i _I i i über das Analyseobiekt werden

Analyseobjekt. Dabei ist es wichtig, alle bei der Analyse teilnehmenden _{Funktlonen ιn der Substantιv} _

Personen mit einzubinden und die Sprech- und Sichtweisen zu vereinheitlichen. Verb Form festgelegt (Wohinz et. al 2008)

Das Benennen der Funktionen stellt den eigentlichen Kern der Funktionenanalyse dar. Hierbei werden mit einer ausreichenden Abstraktion (d. h. gedanklicher Abstand zur aktuellen Lösung) die Aufgaben und Eigenschaften die Funktionen bestimmt. Laut Naefe (2008, S.52) sind hierbei zwei Fragestellungen hilfreich:

• Welche Eigenschaften muss die Scherfohe haben?

• Welche Eigenschaften darf sie nicht haben?

Um die Funktionen kurz und prägnant zu formulieren, werden sie in einer Substantiv- Verb-Form aufgeschrieben.

Die letzte Aufgabe besteht dann, die benannten Funktionen zu strukturieren. Dabei werden Haupt- und Nebenfunktionen in einer Wozu-Wιe-Logιk verknüpft und in einem Funktionenbaum dargestellt. Die Fragestellungen bei dieser Logik lauten folgendermaßen:

• Wie wird eine Funktion erfüllt? (von Haupt- zu Nebenfunktion)

• Wozu wird eine Funktion benötigt? (von Neben- zu Hauptfunktion)

Bei Funktionen unterscheidet man jedoch nicht nur nach Haupt- und Bei der Klassifizierung von Nebenfunktionen, sondern auch nach anderen Klassifizierungen. Abbildung 69 Funktionen unterscheidet man Haupt-INeben, Soll-/Muss, zeigt ein Ghederungskonzept von Funktionen. Dabei gilt es zum Beispiel zu Gebrauchs-IGeltungsfunktionen, unterscheiden, ob Funktionen erfüllt sein müssen oder können, mehr oder erwünschte/unerwünschte, vermeid-lmcht vermeidbare weniger wichtig, vermeidbar oder unvermeidbar sind.

Funktionen

Daraus kann man folgende Schlussfolgerungen ziehen: Es gibt ermittelte Funktionen - auch Muss-Funktion genannt - die sehr wichtig und deren Umsetzung für den Gebrauch des Produktes zwingend notwendig sind. Umgekehrt dazu, gibt es Funktionen - sogenannte Kann-Funktionen - die zwar wünschenswert, aber nicht zwingend notwendig sind.

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Abbildung 69: Gliedern ngskriteπen von Funktionen

(Wohinz et al. 2008 nach VDI Richtlinie VDI 2800)

5.2.2 Analyseobjekt Scherfolie

Im Bezug auf diese Arbeit stellt die Scherfohe das Analyseobjekt dar. Die ^Dιe festgelegten Funktionen für _r i i i . i i . . ₁₁ i i r .. i d/e Scherfolie werden in einem

Funktionenanalyse wurde mit einem Arbeitsteam des Herstellers durchgeführt. Funktionenbaum gegliedert

Abbildung 70 zeigt den erstellten Funktionenbaum der Scherfohe. Dabei stehen in der linken Spalte die Hauptfunktionen, welche nach rechts in zwei Nebenfunktionsebenen unterteilt werden. Rechts nebenstehend sind Kommentare angefügt, wie die Funktionen erfüllt werden können. Letztendlich geht es mit der Suche nach einem neuen Produktionsverfahren nicht darum, ein völlig neuartiges Produkt herzustellen, sondern durch geeignete Gestaltung und Adaption alle erforderlichen Funktionen zu erfüllen.

Konzeptentwicklung 5.2.3 Fazit aus der Analyse

Betrachtet man den ermittelten Funktionenbaum, dann ergeben sich für den Einsatz einer Scherfohe folgende Funktionen, die zwingend erfüllt werden müssen:

• Scherfohe lochen

• Schneidspalt minimieren (praktisch null zwischen Messer und Folie)

• Schneidkante schärfen (kein negativer Schneidenwinkel)

• Kontaktfläche minimieren (Effekt der Lochranderhöhung)

• Lochkante abrunden (auf der Haut zugewandten Seite)

• Haarzuführung verhindern (in der Randzone)

• Hautdurchführung verhindern

Als wünschenswerte Funktionen sind festgelegt:

• Lochkante einsetzen (zum Aufrichten des Barthaares)

• Gleiteigenschaften aufweisen

• Nickelabscheidung eliminieren

• Reibung reduzieren, bzw. Wärme abführen

Die restlichen Funktionen sollen in dieser Arbeit nicht berücksichtigt werden. Hinsichtlich dieser Definition soll nun die Lochgeometrie diskutiert werden.

Abbildung 71 zeigt einen Detailausschnitt vom Lochrand einer galvanisch Die Nickelfolie erfüllt alle Muss- Funktionen, jedoch wird die hergestellten Folie. Das Schermesser berührt die Folie nur auf einer kleinen Kann-Funktion „NickelabscheidFläche. Alle Muss-Funktionen sind erfüllt. Jedoch ist die Soll-Funktion ung eliminieren" nicht erfüllt Nickelabscheidung eliminieren nicht erfüllt. Tabelle 6 stellt die Funktionen und deren Erfüllung gegliedert dar.

Abbildung 71 : Nickel Scherfohe - Detail Lochrand

Konzeptentwicklung Tabelle 6: Funktionenerfüllung bei Nickelfolie

Muss - Funktionen Kann - Funktionen

^ Scherfolie lochen Lochkante einsetzen

^ Schneidspalt minimieren Gleiteigenschaften aufweisen

1 Schneidkante schärfen Nickelabscheidung eliminieren

^ Kontaktfläche minimieren Reibung reduzieren

^ Lochkante abrunden Wärme abführen is Haarzufürung verhindern

^ Hautdurchführung verhindern

Legende: ^ erfüllt teilweise erfüllt # nicht erfüllt

In einem ersten Schritt wurde nun überlegt, ob auf die Lochranderhöhung beim Stanzen verzichtet werden kann, bzw. der Schneidgrat vom Lochen als Erhöhung ausreicht (siehe Abbildung 72). Die Ausführung eines solchen Werkzeuges wäre ohne Zweifel am einfachsten und kostengünstigsten. Betrachtet man aber das vermutete Endergebnis anhand des Forderungskataloges, kommt man zum Schluss, dass der Schnittgrat vermutlich nicht ausreicht oder zu schnell verschleißt, dass viele Funktionen gar nicht oder nicht ausreichend erfüllt werden.

Abbildung 72: Stanzvorgang (a) und Schersituation im eingebauten Zustand (b) mit Standard- Matrize

In Tabelle 7 wird sichtbar, dass viele Muss-Funktionen aller Wahrscheinlichkeit E ⁱ ne normal geloch ^t e Fol ⁱ e erfüll ^t die geforderten Muss-Funkt- nach nicht erfüllt werden. Eine Variante dieses Verfahrens wäre, den _{lonen teι} ι _{weιse nιcnt unc} / _/st Schneidspalt zu vergrößern und/oder die Schneidkante der Matrize abzurunden, daher nicht brauchbar. um einen größeren Schnittgrat zu erhalten. Jedoch wird hier aufgrund der

Koπzepteπtwickluπg unregelmäßigen Grathöhe eine weitere Nachbearbeitung notwendig werden. Deshalb wird diese Idee in der kommenden Vorgehensweise zunächst nicht weiter verfolgt.

Eine weitere Möglichkeit zum Erreichen einer größeren Lochranderhöhung wäre, einen weiteren umformenden Prozessschritt an das Lochen anzuhängen. Das heißt, die Folie nach dem Lochen weiter zu positionieren und mit Prägematrize und Stempel die Lochranderhöhung zu erzeugen. Allerdings ergibt sich dadurch ein neues Problem: die exakt konzentrische Positionierung der gelochten Folie über der Prägestation im μm-Bereich, da sonst keine gleichmäßige Erhöhung erzeugt würde. Auch hier wurde die Entscheidung getroffen, in diese Richtung vorerst nicht weiterzugehen.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Lochung der Scherfohe mit einer Die Modifizierung der Matrize modifizierten Matrize. Dabei wird die Schneidkante kegelig abgeschrägt ^{besteht durch eιn kegelιg~} schleifen der Schneidkanten- gefertigt. Der Vorteil dieser Variante besteht dann, dass mit einem Arbeitshub bereichs die gesamte Lochgeometrie samt Lochranderhöhung hergestellt wird und die Konzentπzität zwischen Lochranderhöhung und Bohrung allein von der Fertigungsgenauigkeit der Matrize abhängig ist. Abbildung 1 zeigt den Vorgang in vier Sequenzen. Zunächst wird die Folie mit dem Niederhalter geklemmt (a). Danach zieht der niedergehende Stempel das Blech in die kegelige Vertiefung, bis die Schneidkante erreicht wird (b). Anschließend beginnt der eigentliche Lochungsvorgang (c). Aufgrund der Biegespannungsverhältnisse wird der Lochrand nach dem Stempelrückzug etwas auffedern (d).

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Abbildung 73 Stanzvorgang mit modifizierter Matrize

Abbildung 74 zeigt diese Folie in der Schersituation Dabei werden zwei ^Eιne mit modifizierter Matrize Varianten gezeigt Variante a zeigt eine Folie im nicht nachbearbeiteten ^g so ^e w ^o o ^c hl die Muss-Funktionen, als

Zustand Es kann vorausgehend keine Aussage darüber gemacht werden, ob auch die Funktion „Nickelab- eine Nachbearbeitung der Folie notwendig ist, um eventuelle scheidung eliminieren" Höhenunterschiede auszugleichen, oder ob die Toleranz nach dem Lochen ausreichend ist und sich Messer und Folie selbst aufeinander „einschieben" Variante b zeigt eine nachträglich geschliffene und daher in der Hohe egalisierte Scherfohe

Konzeptentwicklung Kanteneinzug / — Kanteneinzug

Glattsc Bruchf

Schnittgrat &

Lochrand- erhόhung

SS

5.3 Gegenüberstellung der Schneidkonzepte

Die in Kapitel 3 erwähnten Schneidkonzepte, Gesamtschnitt, Folgeschnitt und Stanzautomation werden hier noch einmal hinsichtlich der Fertigung des Scherblattes mit Vor- und Nachteilen gegenübergestellt. Dies soll helfen, ein Verfahren für die Versuche durchzuführen.

5.3.1 Gesamtschneid verfahren

Würde man das Scherblatt mittels Gesamtschneidverfahren herstellen, so würde Beim Gesamtschneidverfahren das heißen, dass im Werkzeugunterteil der Stempel mit ca. 1 500 Bohrungen wurden alle 1500 Locher und Außenkontur der Scherfolie mit verschiedener Durchmesser sein würde. Im Oberteil müssten zur Matrize folglich einem Hub gefer _t ig _t 1 500 Lochstempel integriert werden. Zusätzlich müssten noch Abstreifer auf Ober- und Unterteil realisiert werden.

Tabelle 9: Vor- / Nachteile des Gesamtschneidverfahrens

Qtsamtschnäcfverfahrtri

Vorteile (stach teile

Fertigung in einem Hub Komplizierte Werkzeugfertigung

Hohe Genauigkeit am Teil Teuer

Kein genauer Vorschub notwendig Hoher Wartungsaufwand

Bei Kantenausbruch - gesamtes Werkzeug unbrauchbar

Koπzepteπtwickluπg 5.3.2 Folgeschneidverfahren

Beim Folgeschneidverfahren hat man die Möglichkeit einer flexiblen Gestaltung ^Beιm Folgeschnitt konnte der aufgrund der geringen Abstande des Werkzeugs. Dabei gibt es mehrere Losunmogsmoglichkeiten. Wie bereits h , erzust .el „lend ,e L ,och ^ras ,ter erwähnt, beträgt der Lochmittenabstand der Scherfohe 0,7mm. Wählt man für einfacher hergestellt werden die Folge beim Stanzen in einer Station einen Lochmittenabstand von 1 ,4mm, Benotigt wurden ca 6 bis 13 Folgestationen was die konstruktive Gestaltung sehr vereinfachen würde, so müssten alleine für den Lochungsvorgang 4 Stationen gebaut werden. Bei einem

Lochmittenabstand von 2,1 mm wären es bereits 9 Stationen usw. Allerdings stellt das Weitertakten von Station zu Station eine große Herausforderung dar.

Hier müsste sicher mit mehreren Sucherstiften gearbeitet werden. Tabelle 1 0 zeigt die Vor- bzw. Nachteile des Folgeschneidverfahrens.

5.3.3 Stanzautomation

Die Stanzautomation stellt das dritte Lösungskonzept für die Scherfohe dar. Für Die Stanzautomation stellt die flexibelste und am einfachsten diese Lösung wird jeweils für einen Durchmesser, nur eine Schnitteinheit herzustellende Losung dar Dafür bestehend aus Stempel und Matrize benötigt. Das macht bei 5 verschiedenen dauert die Bearbeitung am längsten Durchmessern 5 Schnitteinheiten. Das Blech wird mittels CNC Steuerung in X und Y Koordinate positioniert. Nach jeder Positionierung wird ein Stanzhub durchgeführt. Dieses Verfahren ist sehr flexibel und die Herstellung des Werkzeuges verhältnismäßig billig und einfach, dafür ist die Realisierung eines CNC gesteuerten X-Y Tisches aufwendig und teuer. Ein großer Vorteil liegt in der Erzeugung der Lochranderhöhung. Da hier nur eine Matrize beim Lochen aller Bohrungen im Scherbereich verwendet wird, ist die Lochranderhöhung bei allen Durchbrüchen die gleiche. Tabelle 1 1 stellt die Vor- bzw. Nachteile der Stanzautomation gegenüber.

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5.4 Beurteilung und Entscheidung

Aufgrund der gesammelten Daten und der Beurteilung der Vor-/Nachteιle der Aufgrund der Flexibilität und der immer gleichen Lochrand- einzelnen Verfahren wurde die Entscheidung für die Stanzautomation gefällt. erhohung wird die Entscheidung Aufgrund der Wichtigkeit einer exakt herzustellenden Lochranderhöhung wurde für die Stanzautomation gevor allem dem Argument der immer gleichen Lochranderhöhung besonders viel troffen Gewicht gegeben. Zudem ist auch die Versuchsdurchführung bei diesem Verfahren am einfachsten umzusetzen. Trotzdem sind auch bei diesem Konzept einige Probleme zu lösen. Zum einen stellen die präzise Fertigung und die kleinen Dimensionen des Werkzeuges eine große Herausforderung dar, zum anderen sind für dieses Konzept keine handelsüblichen Stanzpressen verfügbar.

5.5 Risikoanalyse zur Stanzautomation

Die Risikoanalyse ist ein Werkzeug der FMEA, um Fehler, deren Konsequenzen Durch eine Risikoanalyse sollen mögliche Ursachen für Fehler und mögliche Fehlerursachen bereits bei der Produktkonzeptionierung zu und mögliche Gegenmaßidentifizieren und hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit der Entdeckung und ihres nahmen schon im vorhinein

Auftretens sowie ihrer Bedeutung nach zu bewerten, mit dem Ziel, noch vor erm ^itt el ^t werden

Produktionsaufnahme Korrekturmaßnahmen zur Vermeidung dieser möglichen

Fehler entwickeln zu können. (Simon et al. 2002, S.134)

Eine solche Risikoanalyse wurde nach Entscheidung für das Stanzkonzept mit Mitarbeitern aus verschiedenen Abteilungen der Unternehmung durchgeführt. Die Analyse beruht auf empirischen Erfahrungen und Vermutungen der Mitarbeiter und gestaltete sich in dieser Hinsicht schwierig, da nur wenige Erfahrungen auf dem Gebiet des Stanzens in diesen Dimensionen und mit

Koπzepteπtwickluπg diesem Verfahren vorhanden sind. Jedoch sollten mögliche Risiken und deren Folgen bereits im Vorhinein abgeklärt werden, um mit eventuellen Gegenmaßnahmen schneller und zielgerichteter zu reagieren. Tabelle 1 2 zeigt das Ergebnis der Analyse.

Kurz zusammengefasst kann aus dieser Risikoanalyse folgendes entnommen werden. Ein Verwerfen und Verziehen der Scherfolie durch den Umform- und Stanzprozess wird mit großer Sicherheit erwartet. Dies würde ein nachträgliches Planrichten der Folie notwendig machen. Ein anderer Risikofaktor besteht im Zweifel an der Gleichmäßigkeit der Lochranderhöhung, bzw. der Qualität der gelochten Lochleibungsfläche. Nur kleinste Höhendifferenzen in der Lochranderhöhung machen die Scherfolie unbrauchbar. Wünschenswert wäre natürlich, nach dem Umformverfahren keine weitere Bearbeitung der Folie durchführen zu müssen. Bei Toleranzüberschreitung könnte aber ein nachträgliches Egalisieren der Lochranderhöhung durch Schleifen die geforderten Toleranzen erfüllen. Ein weiteres Risiko wird gesehen in der hohen Abstreifkraft aufgrund der Geometrie der modifizierten Matrize, sodass die gelochte Folie den Stempel beim Rückzug klemmt. Auch hier würden Gegenmaßnahmen, wie das Modifizieren des Niederhalters und der Matrize, oder eine Beschichtung des Stempels mit der Eigenschaft eines niedrigen

Konzeptentwicklung Reibungskoeffizienten, vermutlich helfen. Als letztes Risiko wurde die Rückfederung der Lochranderhöhung gesehen, welches mit geometrischen Adaptierungen von Stempel und/oder Matrize, oder durch Wahl eines duktileren Werkstoffes mit geringerer Festigkeit für die Scherfohe, umgangen werden kann.

Konzeptentwicklung 6 Erstellen des Versuchaufbaus

Nach Festlegung des Schneidkonzeptes, mit modifizierter Matπzengeometπe, wird hier nun die Konstruktion, Fertigung und die provisorische Adaptierung auf eine X-Y gesteuerte Stanzautomation geschildert.

6.1 Versuchswerkstoff der Scherfolie

Die verfügbaren Stahlbleche in der Dicke 0,03 - 0,05mm sind am Markt nur Als Versuchswerkstoff wurde ein hochlegierter rostfreier Cr-Ni- sehr beschränkt verfügbar. Nickelfreie Stähle sind mit dieser Banddicke nicht ab Stahl gewählt Dieser besitA im

Lager erhältlich und wären für einen ersten prinzipiellen Versuch zu teuer. Als Kaltgewalzten Zustand eine

Versuchswerkstoff wurde ein vergleichsmässig leicht erhältlicher 1 .431 0 nach Zugfestigkeit von 7600 N/mm ²

X1 OCrNi18-8 mit einer Dicke von 0,04mm gewählt. Der Stahl enthält neben einem Kohlenstoffgehalt von 0, 1 0% im Wesentlichen noch 1 8% Chrom und 8%

Nickel. Aufgrund des hohen Umformgrades durch das Kaltwalzen besitzt dieser

Stahl eine Zugfestigkeit R _m von 1 300 - 1 600 [N/mm ² ] und wird daher auch als rost- und säurebeständiger Federstahl bezeichnet.

6.2 Berechnungen

6.2.1 Schneid- und Abstreifkräfte

Um die Werkzeug kräfte abzuschätzen sind hier folgende Berechnungen Die ersten Berechnungen prognostizieren eine maximale gemacht worden. Als Variablen wurde die Zugfestigkeit R _m von 1 300 - 1 600 Schneidkraft von ca 85N Bei [N/mm ² ] in Schritten von Hundert und der Lochdurchmesser (00,53; 00,43; 5% Abstreifkraft wurden dann 00,26) gewählt. Der Schneidwiderstand k _s wurde mit k _s = 0,8 • R _m festgelegt. ca 4N benotigt Die Abstreifkraft beträgt laut Kapitel 3.3.1 F _Rmin 1 % und F _Rmαx 40% der maximalen Schneidkraft F _Smαx . Desweiteren wurde auch der Druck am Stempelkopf anhand der Schneidkraft überprüft ob der kritische Wert von 250 [N/mm ² ] überschritten wird. Die Auflagefläche hierbei stellt einen kreisförmigen Querschnitt mit dem Durchmesser von 1 mm dar. Die Ergebnisse sind in Tabelle 13 dargestellt.

Tabelle 13: Berechnung von Schnitt-, Rückzugskraft und Druck am Stempel köpf

Erstellen des Versuchaufbaus

Die Schlussfolgerungen aus der ersten Berechnung zeigen, dass die maximale Schneidkraft bei ca. 85N liegt, ein Wert der ohne weiteres sogar durch Handbetätigung erzeugt werden kann. Die maximale Flächenpressung am Stempelkopf wird mit ca. 1 09N berechnet und liegt daher im sicheren Bereich. Eine zusätzlich gehärtete Druckplatte ist daher nicht notwendig

6.2.2 Schneidspalt

Die Festlegung des Schneidspalts orientierte sich nach den kleinsten in der Der Schneidspalt wird mit 4%-5% gewählt und betragt Literatur empfohlenen (2%-4%) aber technisch noch herstellbaren zwischen 1, 6 - 2,0μm. Dimensionen. Dabei fiel die Entscheidung auf 4%-5% der Blechstärke, was einem u _s = 0,001 6 ... 0,0020mm entspricht. Eine Vergrösserung aufgrund schlechter Qualität der Lochleibung (Zipfelbildung) und/oder aus Toleranzgründen kann im Nachhinein jederzeit durchgeführt werden.

6.3 Konstruktion des Versuchswerkzeugs

Das Versuchswerkzeug wird als 4-fach saulengefύhrtes Gestell

Bei der Konstruktion des Versuchswerkzeuges musste vor allem bedacht to _nZ/ p _/ er _f. Der _A ufbau erfolg _t werden, dass das Werkzeug in keiner Stanzpresse zum Einsatz kommt und ™ ^f Platten aus CFK. Hohe daher die gesamte vertikale Führung im Werkzeug selbst realisiert werden muss. ^5te ' ^f 'f ^{e/t und praz} f ^{e Fύhmn9} sind bei geringen Schneidspalten unumgänglich.

Erstellen des Versuchaufbaus Die Folgerung daraus ist, dass das Werkzeug ausreichend starr geführt sein muss. Die Wahl fiel daher auf ein vierfach säulengeführtes Werkzeuggestell. Die Säulen sind dabei spielfrei unter ausreichender Vorspannung Kugelgeführt. Abbildung 76 zeigt das Werkzeug schematisch. Es ist durch seinen Aufbau universell einsetzbar und für verschiedene Schneidgeometrien einfach adaptierbar. Durch die die Befestigung der Säulen an der Führungsplatte ist eine einfache Montage möglich. Im ersten Montageschπtt wird lediglich die Führungsplatte mit dem Werkzeugunterteil verbaut. In diesem Zustand können Matrize und Führungs- bzw. Abstreiferplatte genau zueinander justiert werden. Die Justierung erfolgt mit separaten Passstiften und Kugelkäfigen. Im nächsten Schritt wird der Werkzeugoberteil mit Stempelhalter und Stempel aufgesetzt.

Abbildung 76: Versuchswerkzeug

Zwischen Grundplatte und Führungsplatte und zwischen Führungsplatte und Deckplatte sind Federelemente eingebaut die zum einen die Kraft des Niederhalters und zum anderen die Abstreifkraft realisieren. Das Werkzeug ist also selbstöffnend und benötigt für den Arbeitshub nur eine Druckkraft von oben.

Die Grundplatte, Führungsplatte und Deckplatte sind aus CFK (Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) gefertigt. Dies gewährt hohe

Erstellen des Versuchaufbaus /"" Fuhrungssaule Steifigkeiten (etwa im Bereich von Stahl) bei nur etwa einem Fünftel des Eigengewichtes.

Kugelkafig

Fuhrungsbuchse

Deckplatte

Druckplatte Stempelhalteplatte

Anschlag-Hubbegrenzung Fuhrungsplatte

Abstreifplatte für Einsatze Schnittplatte für Einsatze

Grundplatte

Abbildung 77: Schnitt durch Werkzeug

Ein wichtiges Detail des Werkzeugs liegt in der konzentrischen Ausrichtung Die Ausrichtung zwischen

Stempel und Matrize erfolgt zwischen Abstreiferplatte und Schnittplatte. Hierzu dienen vier 08,0 mittels zusatzlicher Passstifte und

Passstiftbohrungen mit denen lediglich diese beiden Platten zueinander Kugeikafige _, die nach dem ausgerichtet und danach mit Führungs- bzw. Grundplatte verschraubt werden. Justagepmzess wieder entfernt

Nach dem Justieren werden die Passstifte wieder vorsichtig entfernt. Die ^{wer en} Führungs- bzw. Grundplatte sind im Bereich der Passstiftbohrungen freigestellt.

Erstellen des Versuchaufbaus

6.4 Fertigungstechnische Aspekte

Bei der Fertigung der Werkzeugkomponenten muss vor allem bei den Die exakte ^p ianheit aller Platten Funktionstragenden Bauteilen sorgfältig und mit höchster Präzision gearbeitet ' ⁵ , ^{e/ er} , ^ '^""^ ^{e e} " ^{50 J J J J} wichtig wie die Rechtwmkeligkeit werden. So ist es wichtig, dass alle Platten absolut plangeschliffen sind. Die der Säulen und Buchsen. Bohrungen der Säulen und Führungsbuchsen müssen jeweils genau in der Position und dem Winkel gefertigt werden. Geringste Abweichungen im Bereich von > 2μm würden ein Lochen von diesen Durchmessern und Schneidspalten nicht mehr zulassen.

6.4.1 Fertigung der Schneidelemente

Die Schneidelemente sind zum Teil als Normalien verfügbar und kommen aus Die schneideiemente sind als

, n ^■ u _ι i -rr- 1- r _J .- u 4. n u n ^■ u Standardelemente der LTCC - dem Bereich der LTCC - Fertigung wo heute Bohrungen im Bereich von , ,

Fertigung verfugbar und müssen

00,08mm - 00,26mm gestanzt werden. Die Fertigungsverfahren für diese nur geringfügig verändert werden.

Erstellen des Versuchaufbaus Elemente sind zum Teil von der Uhrenindustrie übernommen und adaptiert worden und sind äußerst präzise.

6.4.2 Fertigung der Abstreif- und Schnittplatte

Besondere Aufmerksamkeit galt auch der Fertigu ng von Abstreifplatte u nd ^Dιe Fert ⁱ gung der Abstreif- und Schnittplatte, müssen doch diese zwei Platten die konzentrische Position von ^{Schneidplatte erfogen gleich- r} zeitig übereinander Auch hier ist

Schneidmatrizenbuchse und Abstreif- bzw. Führungsbuchse garantieren, auf eine exakte wmkeligkeit zu

Deshalb wurden diese beiden Teile gleichzeitig im Paket, d.h. übereinander ^achten gespannt mittels Drahterosion gefertigt. Dadurch wird die exakte

Positionsgleichheit der Einsatzbohrungen und der Passstiftbohrungen zueinander garantiert. Hierbei ist sowohl auf einen absolut zylindrischen Schnitt der erodierten Fläche, als auch die exakte rechtwinkelige Ausrichtung der

Bohrungsachsen zur Plattenebene zu gewährleisten.

Abbildung 79: Planparallele Ausrichtung der Abstreif- und Schnittplatte in der X-Y Ebene auf Erodieranlage

Abbildung 79 zeigt den Vorgang des planparallelen Ausrichtens der übereinander gespannten Abstreif- und Schnittplatte in X-Y Ebene. Dieser Vorgang wird heute in der Regel von einem Messtaster übernommen, nur bei kritischen Bauteilen wird mit einer Messuhr kontrolliert und justiert.

Danach wird ein Kontrollschnitt an einer zugänglichen Werkstückkante Mlttels Kontrollschnitt wird die durchgeführt. Abbildung 80 zeigt das anschhessende überprüfen der Winkeligkeit korrigiert und gegebenenfalls solange

Winkehgkeit und der Zylindπzität. Wichtig ist hier eine ebenfalls genaue wiederholt bis em zufπeden- Rechtwinkehgkeit der Z-Achse zu der X-Y Ebene der Erodieranlage. Viele stellendes Ergebnis vorliegt

Erstellen des Versuchaufbaus Hersteller haben hier Toleranzen von > 5μm/1 00mm welche für diese Überprüfung nicht geeignet wären. Weist das Messergebnis einen zu großen Fehler auf, so muss die Stellung des Drahtes und gegebenenfalls die Bearbeitungstechnologie korrigiert werden und ein weiterer Kontrollschnitt zur Überprüfung durchgeführt werden, solange bis ein zufriedenstellendes Messergebnis vorliegt.

Abbildung 80: Kontrollschnitt zur Überprüfung der Rechtwinkel ig keit und der Zylindπzität der erodierten Fläche

6.4.3 Erodieren der Schnittbuchse

Die Innenbohrung der Schneidbuchse wurde ebenfalls mittels Drahterosion hergestellt. Um die Konzentπzität zwischen Außen- und Innendurchmesser zu gewährleisten wurde hier eine Aufnahme für den Außendurchmesser unmittelbar vor der Bearbeitung erodiert U nmittelbar darauf wird die Schneidbuchse durch Fügen in die Aufnahme eingesetzt und die Innenbohrung mit derselben Lagekorrektur der Aufnahmebohrung erodiert. Dadurch werden Ungenauigkeiten ausgeschalten die durch Austastzyklen der Erodieranlage bestehen.

Erstellen des Versuchaufbaus 6.4.4 Schleifen der modifizierten Kegelform

Die Modifizierung der Schneidkante, also die Herstellung des Kegels, erfolgte Die kegelige Modifizierung des Schneidkantenbereichs wird mittels Schleifen. Hierzu wurde die Buchse in einer speziell angefertigten durch Schleifen auf einer Aufnahme in einer langsam rotierenden Spindel gespannt und um den Koordinatenschleifmaschine Kegelwinkel schräg gestellt. Mit einer zweiten Spindel wurde ein hergestellt Das Antasten erfolgt optisch mittels Touchierfarbe diamantbelegter Schleifstift von 00,8mm mit 1 20.000 U/mιn angetrieben. Die Zustellung erfolgte mittels einer CNC-gesteuerten Achse. Die Position der Schneidkante wurde dabei optisch mittels Farbe und Antouchieren festgestellt. Dabei ergab sich eine gewisse Toleranzbreite in der Herstellung der Tiefe des Kegels. Abbildung 81 zeigt das Detail der Schneidkante.

Abbildung 81 : Detail Schneidkante

Der Wert B wurde nach der Schleifbearbeitung auf einem Messprojektor ermittelt und daraus der Wert C errechnet. Tabelle 14 zeigt die Dimensionen der für die Versuche hergestellten Schneidbuchsen. Auch in Richtung des äußeren Durchmessers wurden die Buchsen kegelig geschliffen bzw. freigestellt. Dies soll verhindern, dass die Scherfohe beim Lochen mit einem Mittenbohrungsabstand von 0,7mm durch die Lochranderhöhung des benachbarten Loches und durch den Niederhalter verbogen wird.

Erstellen des Versuchaufbaus

Die Beurteilung der Schneidbuchsen erfolgte auch durch das REM . Abbildung 82 und folgende zeigen Aufnahmen einer Schnittbuchse.

Abbildung 82: Schnittbuchse mit modifizierter Schneidkante -

Erstellen des Versuchaufbaus

Abbildung 83 Schnittbuchse mit modifizierter Schneidkante - Detailansicht

Im Werkzeug selbst wurden 5 Positionen zum Lochen wie in Abbildung 84 zu Im Werkzeug befinden sich 5 Positionen zum Einbau einer sehen definiert, was den gleichzeitigen Einbau von 5 verschiedenen Schneideinheit Durch feststellen Lochungseinheiten erlaubt Durch eine spezielle Gestaltung der eines Stempels in der StempelStempelhalteplatte und der Druckplatte können die Stempel separat halteplatte wird jeweils eine Position für den Stanzvorgang voneinander für den Arbeitshub betätigt werden Dies erleichtert den Umgang, aktiviert da ohne Zerlegen des Werkzeuges 5 Schnitteinheiten verfugbar sind

6.5 Besonderheiten beim Werkzeugzusammenbau

Bei der Montage des Werkzeuges ist besonders darauf zu achten, dass die Planparallehtät über alle Werkzeugebenen gegeben ist Dabei müssen die Platten entgratet und gereinigt zusammengebaut werden (siehe Abbildung 84) Vor allem beim Einbau und Einstellen der Federn ist darauf zu achten, dass der resultierende Kraftmittelpunkt stets im Werkzeugzentrum liegt Auch die Anschläge für die Hubbegrenzung des Niederhalters müssen exakt gleich in der Hohe gefertigt sein, da sich sonst Winkelfehler in der Hubrichtung ergeben

Erstellen des Versuchaufbaus

Abbildung 84 Grundplatte und Schnittplatte bei Zusammenbau

Abbildung 85 Grund- und Fuhrungsplatte - Überprüfen der Parallelität

Erstellen des Versuchaufbaus 6.6 Versuchsaufbau auf CNC-Maschine

Um das Werkzeug positionsgesteuert einsetzen zu können bedurfte es noch Das Werkzeug wurde auf einer einer Adaptierung Da die erwarteten Schnittkräfte verhältnismäßig gering sind CNC-gesteuerten Koordinatenschleifmaschine implementiert erfolgte die Implementierung auf einer CNC-gesteuerten (X-Y-Z Achse) Durch Programmierung können

Koordinatenschleifmaschine Dafür wurde noch ein Rahmengestell für das beliebige Lochmuster hergestellt werden

Werkzeug hergestellt, welches an den Flansch der Schleifturbinenaufnahme angeschraubt werden kann Das Rahmengestell ist ebenfalls Säulengefuhrt um exakt vertikale Druckkräfte zu erzeugen In der Unteren Rahmenplatte sind sowohl Gewinde zum Spannen des Werkzeugs gefertigt, als auch eine Tasche gefräst in der sich der Lochabfall sammelt Im oberen Umkehrpunkt befindet sich die Platte leicht vom X-Y Tisch angehoben Dadurch kann sich der Tisch mit der gespannten Folie frei bewegen Nach Positionierung senkt sich das

Werkzeug auf den Tisch ab und der Stanzhub kann ausgeführt werden Sind

Werkzeug und Maschine sowie der Hub richtig eingestellt, kann durch NC-

Programmierung ein beliebiges Lochmuster erzeugt werden

Maschinenkopf mit Flanschaufnahme

Druckstange

Karbonwerkzeug mit 5 Loch- ungsemheiten

Saulengefuhrtes Rahmengestell

Spannvorrichtung für Folie

X- Y CNC gesteuerter Tisch

Abbildung 86' Aufbau auf Koordinatenschleifmaschine

Erstellen des Versuchaufbaus 6.7 Implementierung einer Kraft-Weg-Messung

Für die Kraft-Weg Messungen wurde das Werkzeug nochmals geringfügig Durch Kraft- bzw. Wegaufnehmer können über Messveradaptiert. Dabei wurde die Druckstange durch einen Kraftaufnehmer stärker und A/D-Wandlerkarte ausgetauscht und auf der Seite des Werkzeugs ein Wegaufnehmer angebracht Messungen über den Kraft-Weg der den Stempelhub misst. Die Sensordaten werden von einem kalibrierten Verlauf auf dem PC aufgezeichnet werden. Messverstärker umgewandelt zu einem PC mit einer A/D-Wand lerkarte übertragen und aufgezeichnet. Die Auswertung der Messergebnisse erfolgte anschließend mit Excel.

Abbildung 87: Versuchsauf bau mit integrierter Kraft- Weg Messung

Erstellen des Versuchaufbaus 7 Versuchsdurchführung

7.1 Versuchskonzept

Nach ersten Stanzversuchen wurde ein Testverfahren festgelegt um einerseits die Kennwerte beim Stanzen eines einzelnen Loches zu ermitteln und andererseits die Qualität eines Lochrasters ähnlich der auf einer Scherfohe zu begutachten. Während der Versuchsdurchführung wurden die Daten Kraft- und Wegaufnehmer aufgezeichnet. Abbildung 88 zeigt den gelochten Raster. Dabei wurden im wesentlichen 3 Versuche mit einer Schneideinheit durchgeführt.

Abbildung 88: Lochraster für Versuchsreihe

Im ersten Versuch wurde der Hub mit geringem Vorschub v _H u _B = 2mm/mιn gefahren. Das ermöglichte eine exakte und schwingungsfreie Kraft- Wegmessung. Die Messungen wurden wegen der Reproduzierbarkeit und eventueller Fehler mehrmals wiederholt. Im zweiten Versuch wurde der gleiche Raster, aber mit maximalen Vorschub v _H u _B =400mm/mιn der CNC-Achse gelocht. Bei dieser Geschwindigkeit sind bereits Schwingungen am Kraft-Weg- Verlauf sichtbar. Im dritten Versuchsschritt wurde ein dem Scherblatt ähnlicher

Versuchsdurchfuhruπg Raster gelocht um eine qualitative Aussage über die Umsetzbarkeit kleiner Lochabstände zu bekommen.

Als Output der Versuchsreihe wurden zum einen Aussagen über die Kräfteverhältnisse beim Stanzen gefordert, zum anderen aber auch eine Beurteilung der erzeugten Lochgeometrie mittels mechanischer und optischer Vermessung, sowie weitere mikroskopische Analysen durchgeführt. Dafür wurden u .a. eingebettete Querschliffe aus dem Probenmateπal gemacht und kleine Stücke aus dem Probenmateπal für die Rasterelektronenmikroskopie präpariert.

7.2 Kraft - Weg Versuche

Bei der Durchführung der Kraft-Weg Messungen sind vor allem folgende Aussagen von Interesse:

• Maximale Schneidkraft

• Änderung der Schneidkraft durch modifizierte Matrizengeometrie

• Abstreifkraft und deren Zusammenhang mit den Kegelwinkeln

7.2.1 Vorgehensweise

Da durch die Kraftmessung sämtliche Federkräfte mit erfasst werden, muss man auf die tatsächlichen Stempelkräfte zurückrechnen. Dazu ermittelt man die Werkzeug kräfte bestehend aus Reibungs- und Federkräften mit mehreren Hüben ohne Folie. Dabei kann man deutlich eine Hysterese zwischen den beiden Hubrichtungen erkennen. Danach werden mehrere Hübe mit Stahlfolie durchgeführt. Ein Beispiel einer solchen Messung ist in Abbildung 89 dargestellt. Um nun die reinen auf den Stempel wirkenden Kräfte zu erhalten, müssen die beiden Messungen voneinander subtrahiert werden. Abbildung 90 zeigt das Ergebnis nach Subtraktion der beiden Kurven voneinander. Nun kann der Kraft-Weg Verlauf dargestellt und die maximale Schneidkraft bzw. die Abstreifkraft ermittelt werden. Wichtig zu bemerken ist, dass der Nullpunkt der Wegachse nicht wie in der Literatur oft dargestellt, die Stellung des Stempels direkt über dem Blechstreifen, sondern den oberen Totpunkt des Werkzeugs darstellt. Der gesamte Hub beträgt im vorliegenden Beispiel 1 , 1 mm, die Folie berührt der Stempel bei ca. 0,45mm.

Versuchsdurchfuhruπg

g 42

Bei der Lochrandgeometrie ist noch zu bemerken, dass sie nur mit 00,53mm vollständig und 00,43mm teilweise getestet wurde. Bei 00,26mm wurden nur Versuche mit einer Standardbuchse durchgeführt.

Als auswertbare Messdaten wurden folgende festgelegt:

• Maximale Schneidkraft F _Smax

• Maximale Abstreifkraft F _Rmax

• Die Lochrandhöhe bzw. die Rückfederung (mechanisch gemessen)

• Der max. Schnittgrat bei 0° Kegelwinkel (mechanisch gemessen)

7.2.3 Ergebnisse

Die Ergebnisse stützen sich auf eine durchgeführte Versuchsreihe, bei welcher mit einer Schneideinheit mehrere Lochungen (5-9 mal) wiederholt wurden um eventuelle Streuungen zu ermitteln und die Messergebnisse miteinander zu vergleichen. Zwischen den Versuchen wurde das Werkzeug zwecks Aus- und Einbau der Schnittkomponenten mehrmals auseinander und wieder zusammengebaut. Für jede Schnitteinheit wurde zudem wie oben dargestellt die reinen Werkzeug kräfte (Reibungs- und Federkräfte) ermittelt um die Messergebnisse möglichst exakt zu ermitteln. .Die im folgenden dargestellten Messergebnisse sollen Tendenzen und Größenordnungen aufzeigen die beim Stanzen von Löchern in diesen Größendimensionen auftreten.

7.2.3.1 Bohrung 00,26

Die Messergebnisse für den kleinsten Durchmesser sind in Tabelle 1 5 dargestellt. Ein signifikanter Unterschied stellt die Abstreifkraft zwischen kegeliger und gerader Stempelgeometrie dar. Jedoch muss beachtet werden, dass diese unterschiedlichen Abstreifkräfte auch ander Ursachen als nur die Stempelgeometrie haben können.

7.2.3.2 Bohrung 00,43

Tabelle 1 6 zeigt die Messergebnisse für 00,43mm. Hier sind die Unterschiede in den maximalen Abstreifkräfte gering, diese betragen zwischen 4-7% der Schnittkraft. Bei der Matrize mit Lochranderhöhung scheint die maximale Schnittkraft durchschnittlich geringer zu sein als bei der normalen Matrize.

7.2.3.3 Bohrung 00,53

Die Ergebnisse bei 00,53mm ergeben ein ähnliches Bild wie bei 00,43mm. Die Abstreifkräfte liegen zwischen 6%-1 1 % der Schnittkraft. Eine klarer Zusammenhang zwischen Matrizen- bzw. Stempelgeometrie lassen und daraus resultierender Abstreifkraft ist nicht erkennbar. Jedoch sind die maximalen Schnittkräfte bei geradem Stempelkopf wieder durchschnittlich geringer als mit kegeligem Kopf. Die Ergebnisse sind in Tabelle 17 dargestellt.

Versuchsdurchführung 7.2.4.1 Schneidwiderstand k _j

Der Schneidwiderstand k _s wird beim Lochen dieser Dimensionen, Folienstärke und -mateπal noch nicht von der Größe des Durchmessers beeinflusst. Abbildung 91 zeigt die Schnittkraft in Abhängigkeit des Lochdurchmessers. Die Kraft ist hier nur eine Funktion der Schnittlänge I ₅ während s als konstant und k _s als nahezu konstant für alle Lochungen angesehen werden kann.

7.2.4.2 Stempelform

Bei Gestaltung der Stempelgeometrie wurden zwei Varianten getestet, eine gerade Schneidkante und eine 1 70° kegelig abgesetzte Schneidkante. Letztere soll vor allem beim Stanzen in der Serie das hochreißen der Lochabfälle verhindern. Allerdings treten aufgrund dieser Gestaltung erhöhte horizontale Schneidkräfte auf , welche die Reibkräfte erhöhen. Vor allem die Paarung kegeliger Stempel und kegelige Matrize ergeben durchschnittlich um ca. 1 0% höhere Schnittkräfte als mit geradem Stempel und kegeliger Matrize. Abbildung 92 zeigt diese Tendenz.

Versuchsdurchfuhruπg

Abbildung 92: Schnittkraft bei unterschiedlicher Stempelgeometrie

7.2.4.3 Abstreifkräfte

Über die Abstreifkräfte lassen sich keine Tendenzen ableiten. Die durchschnittlichen maximalen Abstreifkräfte betragen bei 00,26mm - 7,72%, bei 00,43 - 5,28% und bei 00,53 - 8,32%. Über alle Versuche gemittelt beträgt die Abstreifkraft 7, 1 0% der maximalen Schnittkraft. Die Befürchtung, dass sich durch die Modifizierung der Matπzengeometπe die Abstreifkräfte signifikant erhöhen hat sich nicht bestätigt.

7.2.4.4 Schnittgrat und Auffedern

Der Schnittgrat beträgt bei den durchgeführten Versuchen 2μm - 8μm, was etwa 5%-20% der Folienstärke entspricht. Wie spätere REM Aufnahmen zeigen ist dieser nicht über den gesamten Lochumfang gleich hoch. Was die durch Zug-Druck-Umformung hergestellte Lochranderhöhung betrifft kann festgehalten werden, dass mit Zunahme des Kegelwinkels der Matrizenschneidkante auch die prozentuale Rückfederung zunimmt. Für erste Versuche hat sich der Kegelwinkel von 20° als ausreichend heraus gestellt. Zudem konnte beobachtet werden, dass bei kegeliger Stempelgeometrie die Rückfederung geringfügig kleiner war als bei geradem Stempel.

Versuchsdurchfuhruπg 7.2.4.5 Mehrarbeit durch Umformung

Die durch die Umformung logischerweise entstehende Mehrarbeit kann auch durch die durchgeführten Messungen bestätigt werden. Abbildung 93 zeigt zwei überlagerte Messkurven, Stanzen mit und ohne Lochranderhöhung. Der schraffierte Bereich stellt die Mehrarbeit des Umformprozesses dar.

00,53mm - langsamer Arbeitshub (2mm/min) Schnittkräfte - Vergleich

A

7.3 Beurteilung der gelochten Teile

Neben der quantitativen Erfassung des Prozesses und der gelochten Folien erfolgte auch eine qualitative Beurteilung durch verschiedene Verfahren. So wurden lichtmikroskopische Aufnahmen (LMA) der Folie, eingebettete Querschliffe und Aufnahmen mittels Rasterelektronenmikroskop (REM) gemacht.

Versuchsdurchführuπg 7.3.1 Teile ohne Lochranderhöhung

Gelochte Teile ohne Erhöhung haben auf der Scherfolie zum einen nur optische Funktionen, bzw die Aufgabe keine Haare durchzulassen, zum anderen aber auch die Aufgabe die Biegeeigenschaften der Folie möglichst homogen zu gestalten - die Folie sollte möglichst spaltfrei und mit gleicher Anpresskraft über das Schermesser gespannt sein Abbildung 94 zeigt einen Lochraster, Mittenabstand 0,7mm, Lochdurchmesser 00,26mm auf der Oberseite der Folie

Abbildung 94 LMA - Lochraster 00,26mm - Oberseite

Die Auflichtmikroskopie eignet sich hervorragend zur Beurteilung und Vermessung des Rasters ist aber nur bedingt einsetzbar um Bilder mit Tiefenschärfe zu erzeugen Aufnahmen mit dem REM eignen sich dafür aber sehr gut Abbildung 95 zeigt die Unterseite eines gelochten Rasters mit 00,53mm

Versuchsdurchfuhruπg

Abbildung 95: REM - Lochraster 00,53 - Unterseite

Abbildung 96: REM - Detail erhöhter Schnittgrat bei 00,53 - Unterseite

Versuchsdurchführuπg Hier sieht man bereits deutlich eine Eigenschaft der Stanzautomation Die Schnittflächen sind von Bohrung zu Bohrung identisch, wie auch der erhöhte Grat in Abbildung 96 welcher vermutlich von einem Fehler in der Matrize stammt Abbildung 97 zeigt eine Detailaufnahme der duktilen Bruchfläche bzw Grat auf der Unterseite

Abbildung 97 REM - Detail Schnittgrat bei 00,53 - Unterseite

Auch in den Querschliffen lassen sich zum Teil der Verlauf der Lochleibung feststellen So sieht man in Abbildung 98 und Abbildung 99 den Bereich des Einzuges, der Glattschnittzone und der Bruchzone Zudem ist teilweise auch eine Zipfelbildung erkennbar, welch durch weitere Aufnahmen noch besser zu sehen ist

Versuchsdurchfuhruπg Zipfelbildung

Abbildung 98: Querschliff durch Folie - Steg zwischen zwei 00,53

Einzug Glattschnittzone

Bruchzone

Abbildung 99: Queschliff durch Folie - Detail Lochrand 00,53

Zu den ohne Erhöhung gelochten Folien wurde festgestellt, dass die Qualität für deren Funktion ausreichend ist, jedoch eine solche Lochgeometrie, für die Scherfunktion bei Rasierapparaten nicht ausreichend sein wird. Des weiteren ist bei den Schneidelementen wie Stempel und Matrize auf eine exakte Geometrie zu achten, da sonst wie oben dargestellt, an Teilstellen erhöhte Schnittgrate oder sonstige Störungen entstehen können.

Versuchsdurchführuπg 7.3.2Teile mit Lochranderhöhung

Die mit Lochranderhöhung gestanzten Bohrungen haben bei der Scherfunktion eine wichtige Aufgabe. Deswegen gelten für diese strenge Qualitätskriterien, sowohl hinsichtlich der Erhöhung, als auch hinsichtlich der Lochleibungsfläche. Abbildung 1 00 zeigt eine Aufnahme von der Unterseite. Die Erhöhung ist exakt konzentrisch zum Lochmittelpunkt.

Abbildung 1 00: LMA - Lochraster 00,53 inkl. Lochranderhöhung - Unterseite

Hautseitig ist eine verrunden der Lochkante notwendig um die Verletzungsgefahr zu vermeiden. Abbildung 1 01 zeigt eine REM Aufnahme von der Oberseite, Abbildung 1 02 von der Unterseite. Die darauf folgenden Abbildungen zeigen weitere Aufnahmen von der Lochleibung mit Glattschnittzone, Zipfelbildung und Bruchzone in Übersicht und Detail.

Versuchsdurchführuπg

Abbildung 1 01 REM - Lochraster 00,53 - OS - Einzug durch Lochranderh

Abbildung 1 02 REM - Bohrung 00,53 mit Lochranderhohung - Unterseite

Versuchsdurchfuhruπg Bereich Lochranderhohung

Bereich Schnittgrat

Abbildung 1 03 REM - Detail Lochranderhohung 00,53 - US

Gratzone

Bruchzone

Glattschnittzone

Abbildung 1 04 REM - Detail Schnittgrat bei Lochranderhohung 00,53 - US

Versuchsdurchfuhruπg Schneidzone

Bereich Lochranderhohung

Abbildung 105 REM - Lochranderhohung 00,53 - Unterseite

Der Verlauf des Schnittgrates scheint im μm-Bereich regelmäßig zu Verlaufen

Der Anteil der Bruchzone verlauft nicht konstant Er betragt zwischen ca 5 - 50% der gesamten Schnittflache

Die Zipfelbildung verlauft umlaufend konstant, ist aber nur schwach ausgeprägt

Abbildung 1 06 REM - Detail Lochleibung von Unterseite

Versuchsdurchfuhruπg

Einen Aufschluss über die Lochrandgeometrie geben zudem angefertigte Querschliffe. Die Aufnahmen zeigen besonders das Detail der Lochranderhöhung im Profil. Abbildung 108 und Abbildung 109 zeigen ein repräsentatives Beispiel eines Lochquerschnitt, gestanzt mit einer modifizierten Matrize (00,53; Kegelwinkel α = 20°). Die mechanisch gemessene Erhöhung (s. Tabelle 17) deckt sich etwa mit der optischen Vermessung.

V d t E d h

Versuchsdurchführuπg

Abbildung 1 09: Detail Querschliff - Steg zwischen Löchern - 00,53; α= 20°

7.4 Herstellung und Beurteilung der Prototypen

Abschließend wurden noch Versuche zur Herstellung eines Prototypen durchgeführt. Als Vorlage dafür diente eine gegenwärtig aus Nickel hergestellte Scherfohe. Ziel dieses Versuches ist den Prototypen hinsichtlich seiner Eigenschaften, bzw. seinem Erscheinungsbild zu beurteilen. Weiters galt es abzuklären welches Verhalten das Verfahren bei relativ „großflächigen" Lochrastern zeigt. Einen erarbeiteten Punkt der Risikoanalyse der das Verwerfen der Folie bei solch großflächigen Lochrastern betrifft galt es ebenso zu überprüfen.

Da es für einen ersten Prototypen zu aufwendig erschien das gesamte Spektrum an Lochdurchmessern (5 verschiedene 0 bei Nickelfolie) für diesen zu realisieren, reduzierte man sich auf 3 Schnitteinheiten (00,53; 00,43; 00,26mm) beim Stanzen.

Zunächst wurde ein Prototyp ohne Lochranderhöhung hergestellt (siehe Abbildung 1 1 0). Das Ergebnis dieses Versuches ist sehr zufrieden stellend was die Ebenheit der Folie nach dem Lochvorgang betrifft. Sowohl Lochabstände sowie Lochdurchmesser ergeben ein homogenes Bild dieses Versuches. Solch eine Folie ist jedoch für den Gebrauch nicht geeignet.

In einem zweiten Schritt wurde ein Prototyp mit Lochranderhöhung gefertigt. Dabei wurde die Erhöhung nur im Bereich der Scherzone gefertigt, die umliegende Zone jedoch ohne Erhöhung gelocht. Abbildung 1 1 1 und Abbildung 1 1 2 zeigen Aufnahmen dieser Scherfohen.

Versuchsdurchfuhruπg

A

Abbildung 1 1 2 Gestanzter Prototyp mit Lochranderhohung - Detail Unterseite

Beim betrachten dieser Aufnahmen fällt sofort auf, dass die Folie in der Zone mit gestanzter Lochranderhohung Verwerfungen auftreten Diese werden durch die Restbiegespannungen der Lochrand - Umformung verursacht Zudem durfte es durch die Umformung zu einem plastischen Fließen des Restmateπals, d h den Stegen zwischen den Bohrungen kommen Dies bewirkt das die Folie in diesem Bereich wie ein Membran gewölbt ist Die Wölbung wurde mittels einem IFM ermittelt und ist in Abbildung 1 1 3 dargestellt Die Wölbung ist in beiden Achsen des Lochrasters der Folie ausgebildet Sie beträgt wenn man die Folie auf den Seiten niederspannt und hier den Wert Ursprung für die Hohenmessung definiert in der Mitte der Folie gemessen ca 0,6mm Diese Abweichung hat natürlich auch Konsequenzen für die Funktion der Scherfohe Beim Einbau in einen Rasierapparat zeigt sich nach Krümmung der Folie über das Schermesser auch eine konkave Krümmung in Richtung der oszillierenden Richtung des Schermessers Das heißt, das zwar im Randbereich die Folie auf dem Schermesser aufliegt, aber in der Mitte ein Luftspalt zwischen Folie und Messer herrscht

Versuchsdurchfuhruπg

Abbildung 1 1 3: IFM - Wölbung des mit Erhöhung gestanzten Prototypen

7.5 Fazit aus der Versuchsdurchführung

Abschließend kann zu den Ergebnissen der durchgeführten Versuche gesagt werden, dass das Verfahren sich prinzipiell zur Lochung von Scherfohen eignet. Die Lochranderhöhung ist gleichmäßig und vor allem von Bohrung zu Bohrung gleich, da sie mit ein und denselben Schnittelementen gefertigt wurden. Diese Tatsache ist ein starkes Argument für dieses Fertigungsverfahren auch hinsichtlich einer möglichen Weiterentwicklung in Richtung Serienproduktion. Bezüglich der durchgeführten Risikoanalyse (siehe S. 77) kann gesagt werden, dass die Risiken Nr. 3-5 (Schneidflächeneigenschaften, Abstreifkräfte und Rückfederung) beherrschbar sind.

Bei der Herstellung des Prototypen hat sich aber gezeigt, dass es bei relativ großflächigen Lochrastern mit Lochranderhöhung zu Verwerfungen bzw. einer Wölbung der Scherfohe kommt Dieses Verhalten ist auch bereits bei der Risikoanalyse (Risiko Nr. 1 ) erwartet worden. Diese sind für ein Funktionieren der Scherfunktion zu groß, da ein Luftspalt zwischen Schermesser und Scherblatt entsteht. Hier müssen also Maßnahmen angedacht werden um diese Wölbungen zu egalisieren, bzw. das Schermesser dieser Wölbung entsprechend anzupassen. Ob die Lochranderhöhung in sich präzise genug ist und kein weiterer Fertigungsvorgang zum egalisieren wie z. B. Schleifen notwendig ist, lässt sich gegenwärtig noch nicht sagen. Dies muss durch weitere Versuche festgestellt werden.

Versuchsdurchfuhruπg 8 Rückblick und Ausblick

In dieser Arbeit sind viele Ergebnisse und Aussagen über das Stanzen von Scherfolien für elektrische Rasierapparate erarbeitet worden, welche im folgenden noch einmal kurz auf den Punkt gebracht werden:

• Die Substituierung des Werkstoffes Nickel in Stahl bedeutet eine

Verbesserung bezüglich der Hautverträglichkeit. Auch sind bei Testverfahren mit rostfreien Stahlfohen, wesentlich bessere Ergebnisse bezüglich der Abscheiderate von Nickel zu erwarten.

• Das Stanzen von Löchern in dieser Anzahl und Dimension ist möglich und der Prozess ist beherrschbar. Allerdings sind dafür Fertigungsprozesse in höchster Genauigkeit notwendig.

• Das gewöhnliche Lochen von Scherblättern ohne Lochranderhöhung reicht für die Scherfunktion des Rasierapparates nicht aus.

• Durch geometrische Modifizierung der Matrize (kegelig gefertigte

Schneidkante) kann die Lochranderhöhung durch Tiefziehen und Stanzen in einem Hub gefertigt werden. Hierbei handelt es sich um die eigentliche Innovation dieser Arbeit.

• Bei der Stanzautomation, also das Lochen des gesamten Rasters mit einem Stempel und Matrize pro Bohrungsdimension, lassen sich gleichmäßige und exakt identische Lochranderhöhungen von Bohrung zu Bohrung herstellen.

• Durch das Stanzen mit Lochranderhöhungen kommt es aufgrund von

Restbiegespannungen und Fließen des Werkstoffes zu Verwerfungen und Auswölbungen der Scherfohe.

Die erste Fertigung eines Prototypen hat gezeigt, dass die Herstellung auf diesem Wege möglich ist und dass vor allem die so hergestellte Lochranderhöhung im lokalen Bereich der Bohrung ein sehr zufrieden stellendes Ergebnis darstellt. Jedoch werden weitere Prozessschritte zur Kalibrierung der Scherfohe, die für eine richtige Funktionsausübung unbedingt erforderlich sind, notwendig sein. Folgende Probleme gilt es vor einer weiteren Überlegung Richtung Serienfertigung zu lösen:

• Neutralisieren der Restbiegespannung

• Egalisieren der Verwerfungen und Auswölbungen der Scherfohe

Sind auch diese Probleme gelöst so kann man sich weitere Gedanken zur Massenproduktion machen. Jedoch wird es aufgrund der Außergewöhnhchkeit des Herstellprozesses auch hier zur Entwicklung von Sonderlösungen und weiteren Prozessanalysen kommen müssen. So bedarf es einer Lösung der X-Y gesteuerten Folienbewegung mit sehr kurzen Taktzeiten, wobei das Stanzen von ca. 20 Löchern pro Sekunde wünschenswert wäre. Eine weitere

Ruckblick und Ausblick Sonderlösung wird wohl auch für den Antrieb der Hubbewegung des Stempels gefordert sein, da eine gewöhnliche Stanzpresse für diesen Fall überdimensioniert wäre. Dazu kommen noch weitere Herausforderungen wie das Handling der Stahlfohe, bis hin zu einer vollautomatischen Montage der Folien in den Scherkopf des Rasierapparates.

Letztlich stehen wir hier am Ende dieser Diplomarbeit am Anfang eines möglichen Produktlebenszyklus, der aus weiteren unzähligen Aufgaben, Entwicklungen und Entscheidungen besteht.

Ruckblick und Ausblick Abbildung 57: Werkzeugaufbau zum Stanzen von Mikrobohrungen 56

Abbildung 58: Stanzpresse für Mikrobohrungen und optischer

Justiereinrichtung (Joo et al. 2005) 56

Abbildung 59: Gestanzte Mikrobohrungen in rostfreien Stahl AISI 31 6 57

Abbildung 60: Schneidpresse mit integrierter Fertigungseinheit (WEDG u. EDM) für Stempel und Matrize (Chern et al. 2006)58

Abbildung 61 : 00,2mm Bohrung gestanzt in SUS304 rostfreien Stahl 59

Abbildung 62: WEDG Verfahren zur herstellung von nicht kreisförmigen Elektroden (Chern et al. 2007) 59

Abbildung 63: Beispiele für nicht kreisförmige Stempel (Elektroden) durch WEDG hergestellt. (Chern et al. 2006) 60

Abbildung 64: Prototyp einer Hochgeschwindigkeitsschleifspindel zum Schleifen von Mikro-Lochstempeln (Yeo et al. 2002) 60

Abbildung 65: Ansicht Scherblatt im ebenen Zustand 63

Abbildung 66: Detail Lochmuster 64

Abbildung 67: Querschnitt Scherfohe 64

Abbildung 68: Verschiedene Lochdurchmesser auf einer Folie 65

Abbildung 69: Gliederungskπteπen von Funktionen 67

Abbildung 70: Funktionenbaum - Scherfohe 68

Abbildung 71 : Nickel Scherfohe - Detail Lochrand 69

Abbildung 72: Stanzvorgang (a) und Schersituation im eingebauten

Zustand (b) mit Standard-Matrize 70

Abbildung 73: Stanzvorgang mit modifizierter Matrize 72

Abbildung 74: Schersituation der gelochten Folie und

Loch randerhöh u ng mit 73

Abbildung 75: Gegenüberstellung Stahlfohe - Nickelfohe 74

Abbildung 76: Versuchswerkzeug 81

Abbildung 77: Schnitt durch Werkzeug 82

Abbildung 78: Detail Schnittelemente 83

Abbildung 79: Planparallele Ausrichtung der Abstreif- und

Schnittplatte in der X-Y Ebene auf Erodieranlage 84

Ruckblick und Ausblick Abbildung 80: Kontrollschnitt zur Überprüfung der Rechtwinkeligkeit und der Zylindπzität der erodierten Fläche 85

Abbildung 81 : Detail Schneidkante 86

Abbildung 82: Schnittbuchse mit modifizierter Schneidkante - 87

Abbildung 83: Schnittbuchse mit modifizierter Schneidkante -

Detailansicht 88

Abbildung 84: Grundplatte und Schnittplatte bei Zusammenbau 89

Abbildung 85: Grund- und Führungsplatte - Überprüfen der

Parallelität 89

Abbildung 86: Aufbau auf Koordinatenschleifmaschine 90

Abbildung 87: Versuchsaufbau mit integrierter Kraft-Weg Messung 91

Abbildung 88: Lochraster für Versuchsreihe 92

Abbildung 89: Hub ohne und mit Stahlfolie (Leerhub) 94

Abbildung 90: Kraft-Weg Verlauf des Stempels nach Subtraktion 95

Abbildung 91 : Schnittkraft in Abhängigkeit des Lochdurchmessers 99

Abbildung 92: Schnittkraft bei unterschiedlicher Stempelgeometrie 1 00

Abbildung 93: Vergleich Kraft-Weg Verlauf mit und ohne

Lochranderhöhung 1 01

Abbildung 94: LMA - Lochraster 00,26mm - Oberseite 1 02

Abbildung 95: REM - Lochraster 00,53 - Unterseite 103

Abbildung 96: REM - Detail erhöhter Schnittgrat bei 00,53 -

Unterseite 1 03

Abbildung 97: REM - Detail Schnittgrat bei 00,53 - Unterseite 1 04

Abbildung 98: Querschliff durch Folie - Steg zwischen zwei 00,53 1 05

Abbildung 99: Queschliff durch Folie - Detail Lochrand 00,53 1 05

Abbildung 1 00: LMA - Lochraster 00,53 inkl. Lochranderhöhung -

U nterseite 1 06

Abbildung 1 01 : REM - Lochraster 00,53 - OS - Einzug durch

Lochranderh 1 07

Abbildung 1 02: REM - Bohrung 00,53 mit Lochranderhöhung -

Unterseite 1 07

Abbildung 1 03: REM - Detail Lochranderhöhung 00,53 - US 108

Ruckblick und Ausblick Abbildung 104: REM - Detail Schnittgrat bei Lochranderhöhung 00,53 - US 108

Abbildung 105: REM - Lochranderhöhung 00,53 - Unterseite 109

Abbildung 106: REM - Detail Lochleibung von Unterseite 109

Abbildung 107: REM - Detail Lochleibung von Oberseite 110

Abbildung 108: Querschliff- 00,53; α = 20°; Stempel kegelig 170° 110

Abbildung 109: Detail Querschliff - Steg zwischen Löchern - 00,53; α = 20° 111

Abbildung 110: Gestanzter Prototyp ohne Lochranderhöhung 112

Abbildung 111 : Gestanzter Prototyp mit Lochranderhöhung

Oberseite 112

Abbildung 112: Gestanzter Prototyp mit Lochranderhöhung - Detail

U nterseite 113

Abbildung 113: IFM - Wölbung des mit Erhöhung gestanzten

Prototypen 114

Ruckblick und Ausblick Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 : VICKERS-Mikrohärte HV verschiedener Metalle 1 2

Tabelle 2 : Chemische Analyse - EDAX PhiRhoZ Quantification 23

Tabelle 3: Auszug aus Bedarfsgegenständeverordnung 26

Tabelle 4: Richtlinie für Hartmetalleinsatz (Hellwig 2001 , S.21 1 ) 45

Tabelle 5: Hartmetalle für Umformwerkzeuge, Verschleissteile,

Funktionsbauteile (Hellwig 2001 , S.21 2) 45

Tabelle 6: Funktionenerfüllung bei Nickelfohe 70 Tabelle 7: Funktionenerfüllung bei einfach gelochter Folie 71 Tabelle 8: Funktionenerfüllung von gelochter Folie mit modifizierter

Schneide 73

Tabelle 9: Vor- / Nachteile des Gesamtschneidverfahrens 74

Tabelle 1 0: Vor- / Nachteile des Folgeschneidverfahrens 75

Tabelle 1 1 : Vor- / Nachteile der Stanzautomation 76

Tabelle 1 2 : Risikoanalyse - Stanzautomation Scherfohe 77

Tabelle 1 3: Berechnung von Schnitt-, Rückzugskraft und Druck am

Stempelkopf 79

Tabelle 14: Schnittbuchsen - Abmessungen 87

Tabelle 1 5: Messergebnisse für 00,26mm 96

Tabelle 1 6: Messergebnisse für 00,43mm 97

Tabelle 1 7: Messergebnisse für 00,53mm 98

Ruckblick und Ausblick Abkürzungsverzeichnis

PlT GmbH Payer International Technologies GmbH

NAH Nickel Allergie Hypersensitivity

EDM Electro Discharge Machining

WEDG Wire Electro Discharge Gπnding

LIGA Lithografie, Galvanoformung, Abformung

REM Rasterelektronenmikroskop

IFM Infinite Focus Microscope

FMEA Failure Mode and Effects Analysis

LTCC Low Temperature Cofired Ceramic

CFK Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff

LMA Lichtmikroskopische Aufnahme

Ruckblick und Ausblick