Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung von unbeschichteten oder beschichteten Kunststoff-Folien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung von unbeschichteten oder beschichteten thermoplastischen Kunststoff-Folien, das besonders für die Herstellung von Formstücken aus Bahnen aus Verbundmaterial geeignet ist, welches auf einer Trägerbahn eine Thermoplastkaschierung aufweist. Als Trägerbahnen sind sowohl Kunststoff-Folien als auch andere Bahnmaterialien geeignet.
Die Herstellung thermoplastischer Folien ist bekannt, z. B. durch Giessen, Extrudieren oder Auswalzen auf Kalandern. Die Verbindung solcher Folien mit Warenbahnen aus Textilien oder anderen Werkstoffen erfolgt vorzugsweise durch Aufwalzen unter Zugabe geeigneter Bindemittel.
In jüngerer Zeit hat man thermoplastische Folien auch in der Weise hergestellt, dass man Kunststoff in Form von Pasten, Pulver oder Granulat auf beheizten Zwei- oder Dreiwalzenmaschinen geschmolzen, im plastischen Zustand in einem Film überführt und unmittelbar durch Druck auf die zu beschichtende Warenbahn aufgetragen hat.
Eine Anordnung des bekannten Zweiwalzenverfahrens ist in den Fig. 1 und 2 veranschaulicht.
Die beheizten Walzen 1, 2 bilden einen Walzenspalt 4, welcher aus einem Behälter 3 mit Kunststoff beschickt wird. Die im engsten Punkt des Walzenspaltes 4 gebildete Folie haftet an einer der beiden Walzen und wird von dieser mitgenommen.
Bei diesem bekannten Verfahren wirkt sich nachteilig aus, dass der plastische Kunststoff im Walzenspalt seiner Formänderung auf die Folienstärke einen Widerstand entgegensetzt. Dieser Widerstand wirkt sich als Spaltdruck aus, welcher bestrebt ist, den Spalt zu erweitern oder bei unnachgiebiger Lagerung die beiden Walzen 1, 2 durchzubiegen.
In Fig. 3 ist der Spaltdruck mit p bezeichnet. Aus ihm ergeben sich die Biegelinien 5, 6 der beiden Walzen. Diese Durchbiegung lässt sich zwar in bekannter Weise durch Balligschleifen der Walzen für einen bestimmten Wert des Spaltdruckes p aufheben. Für alle anderen Werte des Spaltdruckes pl ergeben sich jedoch abweichende Biegelinien 5, 6 und damit über die Walzenlänge veränderliche Spaltweiten.
Da der Spaltdruck p eine Funktion der eingestellten Folienstärke darstellt, ergibt sich, dass man nur für einen einzigen bestimmten Wert des Spaltdruckes p eine konstante Folienstärke über die Walzenlänge erhalten kann, für welchen die Durchbiegung durch entsprechende Balligkeit der Walzen ausgeschaltet ist, während für alle abweichenden Folienstärken andere Spaltdruckwerte p in Kauf genommen werden müssen.
Die Erfindung bezweckt die Vermeidung dieser Nachteile und soll es ermöglichen, konstante Schichtstärken beliebiger Werte bei der Verarbeitung von Kunststoffschichten zu erzielen.
Das Verfahren gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass thermoplastischer Kunststoff als Granulat, Pulver oder Paste in einen Spalt zwischen einer sich kontinuierlich bewegenden Zylinderfläche und einer ortsfesten Fläche eingebracht, im Spalt zu einer Folie verformt und auf mindestens einer angeschlossenen Walze noch im plastischen Zustand verarbeitet und gekühlt wird. Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb aller sich drehenden Teile, welche mit dem thermoplastischen Kunststoff in Berührung kommen, von einem gemeinsamen Hauptantrieb kraftschlüssig abgeleitet ist.
Vorzugsweise besitzt diese Vorrichtung eine umlaufende Walze, welcher auf ihrer einen Seite ein gegen sie einstellbarer beheizter Balken und auf ihrer anderen Seite eine entgegengesetzt umlaufende Walze zugeordnet ist, wobei über dem von der Walze und dem Balken gebildeten Spalt eine Beschickungsvorrichtung angeordnet ist. Bei einer solchen Vorrichtung bildet der beheizte einstellbare Schmelzbalken mit der beheizten Hauptwalze den filmbildenden Schmelzspalt. Die durch diese Anordnung erzielbare hohe Friktion gestattet es, dem dem Schmelzspalt zugeführten Kunststoff die zur Plastifizierung erforderliche Wärmemenge zum grossen Teil verlustlos in Form von kinetischer Energie zuzuführen und gleichzeitig eine hervorragende Homogenisierung zu erzielen.
Die gebildete Folie haftet nach dem Verlassen des Schmelzspaltes an der Oberfläche der Hauptwalze und kann dann vor der weiteren Verarbeitung noch im plastischen Zustand auf eine Trägerbahn aufgewalzt werden. Geeignet hierzu ist eine Vorrichtung, bei welcher der Hauptwalze und der Abnahmewalze eine Heiztrommel mit Leitrollen für die zweite endlose Bahn zugeordnet ist.
Die Folie kann auch im thermoplastischen oder thermoelastischen Zustand unmittelbar und spannungslos einer nachgeschalteten, synchron laufenden Verformungseinrichtung zugeführt werden. Vorzugsweise geschieht dies in der Weise, dass die im Spalt gebildete und gegebenenfalls kaschierte Folie in noch plastischem Zustand unter Ansetzen von Vakuum auf die eine Bahnseite und gegebenenfalls Druck auf die andere Bahnseite im Bereich der späteren Formstücke verformt wird.
Zu diesem Zweck geeignet ist eine Vorrichtung, bei welcher der Abnahmewalze eine Verformungswalze nachgeschaltet ist, welche zwei- oder mehrstufig unter Vakuum steht und welcher gegebenenfalls ein Vorstrecker zugeordnet ist.
Bei all diesen Vorrichtungen soll der Antrieb aller sich drehenden Teile, welche mit Kunststoff in Berührung kommen, von einem gemeinsamen Hauptantrieb kraftschlüssig abgeleitet sein.
Die Bildung der Folie, die Verformung und die Kühlung des Formteiles können kontinuierlich in einem Arbeitsgang und infolgedessen ohne die bei den bisher bekannten Verfahren unumgänglichen thermischen und sonstigen Verluste erfolgen. Der nach dem Abtrennen der Formstücke verbleibende Abfall kann nach Zerkleinerung dem Rohmaterial zur Wiederverarbeitung zugegeben werden, wodurch bei gleichem Materialeinsatz eine höhere Ausbeute erzielt wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens gegenüber den bekannten Verfahren besteht darin, dass bei Verwendung eines Schmelzbalkens mit geeigneter Profilgebung der Querschnitt des Schmelzspaltes in weiten Grenzen veränderlich ist. Hierdurch kann die Einleitung der kinetischen Energie in den Kunststoff dessen Eigenschaften angepasst werden. Bei Mehrwalzenmaschinen ist aus geometrischen Gründen diese Variationsmöglichkeit nicht zu verwirklichen. Da nämlich der Querschnitt des Schmelzspaltes nicht mehr vom Walzendurchmesser abhängig ist, kann der Spalt für jeden beliebigen Walzendurchmesser durch geeignete Ausbildung des Schmelzbalkens gleich ausgeführt werden.
Dadurch ist es erstmalig möglich, Betriebswerte, welche auf einer kleinen Versuchsmaschine im Labor mit entsprechend kleinem Walzendurchmesser ermittelt wurden, direkt und unverändert auf eine Produktionsmaschine mit grossem Walzendurchmesser zu übertragen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist darin gelegen, dass durch die Beschränkung auf eine Walze ein in dieser auftretender Rundlauffeh ler sich nur einmal auf die Folienstärke auswirkt, bei Mehrwalzenmaschinen jedoch die Rundlauffehler der beiden letzten Walzen summiert werden müssen. Die Einwalzenmaschine ermöglicht aus diesem Grunde eine wesentlich höhere Genauigkeit der Folienstärke.
Weitere Fortschritte gegenüber den bisher bekannten Mehrwalzenmaschinen ergeben sich aus dem Betriebsverhalten. Sie ergeben sich durch die nur bei Einwalzenmaschinen mögliche Ausbildung der Laufzapfen der Hauptwalze. Die Abmessungen aller bekannten Lagerkonstruktionen machen es erforderlich, bei Mehrwalzenmaschinen die Laufzapfen mit Rücksicht auf die Lagerkörpergrösse, die aus Symmetriegründen den Ballendurchmesser nicht überschreiten darf, stark abzusetzen. So konnte trotz aller Bemühungen das Verhältnis der Durchmesser von Zapfen zu Ballen, kurz Zapfenverhältnis genannt, nie wesentlich über den kritischen Wert 0,5 erhöht werden, beim Einsatz von Wälzlagern musste dieser Wert in der Regel noch stark unterschritten werden. Durch diese nicht zu verhindernde Querschnittsverminderung müssen beträchtliche Nachteile in Kauf genommen werden.
So führt die im Zapfenbereich durch Querschnittsverminderung und Kerbwirkung auftretende stark erhöhte Materialbeanspruchung des öfteren zu Zapfenbrüchen, die erhöhte Walzendurchbiegung ist ebenfalls eine Folge der Querschnittsverminderung. Dazu wird die zulässige Lagerbeanspruchung (bei Mehrwalzenmaschinen treten die Lagerund schmierungstechnisch schwer beherrschbaren Komponenten: geringe Zapfengeschwindigkeit verbunden mit hohem spezifischen Lagerdruck, zusätzlich durch die Eigenart der Kunststoffe bedingte hohe Lagertemperaturen, stets gleichzeitig und gemeinsam auf) im Betrieb häufig überschritten, wodurch Lagerschäden und Produktionsausfall verursacht werden.
Im Gegensatz hierzu ist bei der Einwalzenmaschine die Lagerausbildung durch das Zapfenverhältnis keinen Beschränkungen unterworfen, es kann ohne Schwierigkeit mit einem Wert von 0,9 bis 1,0 ausgelegt werden, da dabei die Lagerung der Gegenwalze nicht berücksichtigt werden muss. Diese Auslegung eröffnet die Möglichkeit, bei gleichbleibendem Verhältnis von Lagerdurchmesser zu Lagerlänge den spezifischen Lagerdruck bis auf ein Viertel, die Zapfengeschwindigkeit jedoch bis auf das Doppelte der bei Mehrwalzenmaschinen üblichen Werte zu bringen. Durch diese Massnahme kann das nicht mit Sicherheit beherrschbare Gebiet der Mischreibung mit hohem Verschleiss verlassen und im Gebiet der reinen Flüssigkeitsreibung ein sicherer und verschleissloser Betrieb gewährleistet werden.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1, 2 und 3 eine bekannte Vorrichtung nebst Druckdiagramm,
Fig. 4 eine Vorrichtung zur Durchführung einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäss der Erfindung,
Fig. 5 und 6 Einzeldarstellungen in grösserem Massstab für den Schmelzspalt,
Fig. 7 eine Vorrichtung zur Herstellung von Formstücken nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 8 und 9 Einzelheiten der Vorrichtung gemäss Fig. 7 in grösserem Massstab.
Die Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens sei zunächst anhand einer Vorrichtung gemäss Fig. 4 erläutert.
Der Kunststoff gelangt durch einen vorzugsweise unbeheizten oder gekühlten Vorratsbehälter 12 durch eine Zugabevorrichtung, dargestellt als Schieber 12b, Transportrinne 10 und Vibratorantrieb 11, in den durch Hauptwalze 7 und Schmelzbalken 8 gebildeten Schmelzspalt. Auf dem Wege über die Transportrinne 10 wird dem Kunststoff durch Infrarotstrahler 13, Heissluft oder eine andere geeignete Wärmequelle vorhandene Feuchtigkeit entzogen. Es kann jede andere geeignete Zugabeeinrichtung verwendet werden. Der beheizbare Schmelzbalken 8 ist mit einem verwindungs- und biegesteifen Tragbalken 9, dessen Einstellung radial oder annähernd radial zur Hauptwalze 7 erfolgt, verschieb- und einstellbar verbunden. Die Grobeinstellung erfolgt z. B. durch Anstellen des Tragbalkens 9, die Feineinstellung z.
B. zum Ausgleich der Stärketoleranzen über die Folienbreite durch Verstellung des Schmelzbalkens 8 gegenüber dem Tragbalken 9. Grob- und Feineinstellung können in an sich bekannter Weise durch Einstellspindeln, Exzenter oder hydraulische Systeme bewirkt werden.
Der in den Schmelzspalt eingebrachte Kunststoff wird durch die über den Antrieb der Hauptwalze 7 eingeführte kinetische Energie erwärmt, plastifiziert und durch das zwischen Hauptwalze 7 und Schmelzbalken 8 auftretende hohe Schergefälle zusätzlich besonders homogenisiert. Er verlässt den Schmelzspalt als an der Hauptwalze 7 haftende, plastische Folie, die von dieser nach teilweisem Umlauf durch eine Abnahmewalze 17 abgenommen wird. Die Oberfläche wird durch die entsprechend ausgeführte Walze 18 geglättet oder geprägt. Die Walzen 17 und 18 sind zur Erzielung des erforderlichen Anpressdruckes mit an sich bekannten Einrichtungen, wie Einstellspindeln, Exzentern oder hydraulischen Systemen ausgerüstet, ebenso sind Einrichtungen zur Einhaltung der erforderlichen Verarbeitungstemperaturen vorgesehen.
Für das Aufwalzen der Kunststoff-Folie auf eine Trägerbahn sind zu deren Führung Leitrollen 15 und eine oder mehrere Heiztrommeln 16 zur Vorwärmung und Trocknung der Trägerbahn vorgesehen. Die Verbindung der Folie mit der Trägerbahn erfolgt in dem durch die Hauptwalze 7 und Abnahmewalze 17 gebildeten Walzenspalt. Die Kühlung von Folie oder beschichteter Warenbahn erfolgt durch Wärmeentzug an der umlaufenden, mit Kühlmittel beschickten Kühltrommel 19. Nach Verlassen der Maschine werden Folie oder beschichtete Warenbahn aufgerollt oder auf gewünschte Längen und Formate geschnitten.
Geeignete Formen des Schmelzspaltes durch entsprechende Profilierung des Schmelzbalkens 8 sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 5 ist der beheizte Balken 8 gegenüber der umlaufenden beheizten Walze 7 radial einstellbar und gegebenenfalls kippbar gelagert, um die Form des Spaltes 41 zwischen dem Balken 8 und der Walze 7 verändern zu können.
Die der Walze 7 zugekehrte Stirnseite des Balkens 8 hat eine leicht gekrümmte Fläche 17 mit einer unteren Kante 42, an welche sich eine im wesentlichen parallel zur Walzenfläche verlaufende Fläche 16 anschliesst.
Insgesamt ergibt sich somit eine etwa trichterförmige Ausbildung des Schmelzspaltes, in welchen das Rohmaterial 46 als Granulat, Pulver oder Paste eingebracht wird. Der Druckverlauf bei der Bildung der Folie 47 im Schmelzspalt durch die rotierende Hauptwalze 7 und den feststehenden Balken 8 ist in Fig. 5 rechts in einem Polardiagramm aufgetragen. Die Rückströmung im Schmelzspalt ist eine reine Druckströmung. Der Strömungsverlauf ist durch die Pfeile 15 angedeutet.
Fig. 6 zeigt einen Schmelzspalt 41 mit doppeltem Druckaufbau. Diese Anordnung, welche auch in mehreren Stufen ausgeführt werden kann, bringt eine hohe Plastifizierleistung.
Am Einlaufteil findet im wesentlichen der gleiche Vorgang statt, wie in Fig. 5 dargestellt. Der Abfluss wird jedoch dadurch gedrosselt, dass in den folgenden Abschnitt nur so viel Schmelze eintreten kann, als aus diesem Abschnitt durch den Austrittsquerschnitt abgeht. Der Inhalt des zweiten Abschnittes steht im Gegensatz zu der Ausführung gemäss Fig. 5 immer unter Druck. Auch in Fig. 6 ist der Druckverlauf in dem Schmelzspalt in einem Polardiagramm aufgetragen.
Durch die Ausbildung gemäss Fig. 6 wird neben dem höheren Druckaufbau auch die Homogenisierung durch die längere Vermischung der einzelnen Teilströme 15 erhöht.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 7 wird die im Schmelzspalt zwischen dem Schmelzbalken 8 und der Hauptwalze 7 gebildete Folie 120 über die Abnahmewalze 17 der Formwalze 21 zugeführt. Auf der Formwalze 21 erfolgt die Verformung durch Vakuumeinwirkung und soweit erforderlich, durch mechanische Vorstreckung, beispielsweise mittels eines umlaufenden Vorstreckers 22. Der Vorstrecker 22 erhält einen radial zur Formwalze 21 gerichteten Arbeitshub, beispielsweise mittels der Zustellvorrichtung 122.
Durch Zuführen einer auf der Vorwärmwalze 116 vorgewärmten Trägerbahn 114 kann diese zunächst in dem durch die Hauptwalze 7 und die Abnahmewalze 17 gebildeten Spalt mit der Folie beschichtet und anschliessend verarbeitet werden.
Fig. 8 zeigt schematisch die Anordnung der Formwalze 21 mit den im Walzenmantel eingelassenen Formen 24, der axialen Saugleitung 25 zum rotierenden Schieberteil 26 und das mit Kammern 28 versehene Schiebergehäuse 27 der Drehschiebersteuerung. Das Schiebergehäuse 27 wird mit geeigneten Druckelementen, vorzugsweise Federn 30, gegen die Berührungsfläche mit dem umlaufenden Schieberteil 26 gepresst und durch Bolzen 31 gegen Verdrehen gesichert.
Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform des Schiebergehäuses 27 mit Schieberkammern 28 und elastischen Leitungen 29 für Vakuum und Druckluft.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung gemäss Fig. 7 ist folgende:
Die im Schmelzspalt gebildete Folie gelangt über die Abnahmewalze 17 unmittelbar auf die temperaturgeregelte Formwalze 21. Die heisse Folie läuft hierbei auf die Mantelfläche der Formwalze 21 auf und wird in an sich bekannter Weise durch Anlegen von Vakuum an den von Folie und Form gebildeten Hohlraum verformt. Wenn es die Gestalt des Formteiles erfordert, erfolgt eine zusätzliche mechanische Vorstreckung.
Die nachteilige Reckung der Folie kann dadurch vermieden werden, dass der Antrieb aller entscheidenden Elemente (Hauptwalze, Abnahmewalze und Formwalze) zwangsschlüssig von einem gemeinsamen Antrieb bewirkt wird.
Die mechanische Vorstreckung erfolgt z. B. durch den umlaufenden Vorstrecker, welchem ein zusätzlicher, radial zur Formwalze gerichteter Arbeitshub derart erteilt wird, dass sich während dieses Arbeitshubes die Hüllkreise von Formwalze 21 und Vorstrecker 22 überschneiden. Der genaue Gleichlauf zwischen diesen beiden Elementen wird zwangsläufig, beispielsweise durch Kettentrieb oder gleichwertige Antriebselemente, hergestellt. Der Arbeitshub wird durch an sich be kannte Kraftglieder, beispielsweise pneumatische Druckkolben 122 bewirkt, welche ihrerseits durch geeignete Steuerelemente, wie Nockenscheiben oder Schaltstifte, die mit der Formwalze verbunden sind, gesteuert werden.
Diese Vorstreckung erfordert eine exakte Steuerung der Absauggeschwindigkeit der Luft aus dem Hohlraum der Form durch mindestens zwei Vakuumstufen.
Während der mechanischen Vorstreckung muss, um diese zur vollen Wirkung zu bringen, langsam abgesaugt d. h. gedrosseltes Vakuum angelegt werden, für die Ausformung hingegen ist hohes Vakuum erforderlich. Die Vakuum stufen können auch durch eine ausreichend bemessene Vakuumanlage ersetzt werden. Die Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Schieberkammern und der Vakuumanlage sind in diesem Falle mit Drosselventilen versehen. Das Auswerfen hinterschnittener Formstücke erfolgt z. B. durch Druckluft, die dem Hohlraum zwischen Form und Formling zugeführt wird.
Die Steuerung der einzelnen Vakuumstufen für die Formung und der Druckstufe für das Auswerfen erfolgt z. B. über einen Drehschieber. Dieser stellt die Verbindung zwischen den axial am Mantel der Formwalze angeordneten Formgruppen und der Vakuumund Druckluftanlage her. Die Dichtfläche des Drehschiebers ist vorzugsweise plan oder kegelförmig ausgebildet. Der Saugleitung jeder Formengruppe ist eine Öffnung am rotierenden Schieberteil zugeordnet, das Schiebergehäuse ist mit voneinander getrennten Kammern ausgestattet, an die die Vakuum- und Druckleitungen von aussen angeschlossen werden. Das Gehäuse stützt sich gegen das Maschinengestell durch elastische Zwischenlagen, vorzugsweise Federn ab und wird gegen Verdrehung durch Bolzen gesichert. Das rotierende Schieberteil ist mit der Formwalze fest verbunden.
Zur Erhöhung der Verschleissfestigkeit kann die Dichtfläche des Gehäuses oder des umlaufenden Schieberteiles mit einem geeigneten Belag, beispielsweise Polyamid, versehen werden. Durch die Drehung der Formwalze und des mit ihr verbundenen umlaufenden Schieberteiles werden zwangsläufig die Verbindungen zwischen Formwalze und Vakuum- und Druckluftanlage hergestellt.
PATENTANSPRÜCFIE
I. Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung von unbeschichteten oder beschichteten Kunststoff-Folien, dadurch gekennzeichnet, dass thermoplastischer Kunststoff als Granulat, Pulver oder Paste in einen Spalt zwischen einer sich kontinuierlich bewegenden Zylinderfläche und einer ortsfesten Fläche eingebracht, im Spalt zu einer Folie verformt und auf mindestens einer angeschlossenen Walze noch im plastischen Zustand verarbeitet und gekühlt wird.