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Die Erfindung betrifft einen Papierprägekalander
mit einer harten Walze und einer weichen Walze, die zusammen einen
Nip bilden.
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Ein derartiger Kalander ist bekannt
aus J. Schlunke "Das
Prägen", Sonderdruck aus "Das Österreichische
Papier", 4/1976.
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Prägen ist ein Veredlungsverfahren,
bei dem eine Papierbahn mit einem Muster versehen wird, das optisch
und/oder durch Fühlen
wahrgenommen werden kann. Dieses Prägen erfolgt bislang dadurch, daß in der
Oberfläche
der harten Walze ein Muster vorgesehen wird, das entweder unmittelbar
in die Papierbahn eingedrückt
wird oder dadurch, daß die
harte Walze zunächst
auf die weiche Walze arbeitet und dort das Abbild des Musters erzeugt,
so daß beim nachfolgenden
Durchlaufen der Papierbahn das Muster sozusagen beidseitig in die
Papierbahn eingeprägt
wird.
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Das Bearbeiten der harten Walze ist
relativ aufwendig. Wenn hinzukommt, daß die harte Walze die weiche
Walze unmittelbar beaufschlagt, entstehen an der weichen Walze relativ
schnell merkbare Verschleißerscheinungen,
die die Lebensdauer der weichen Walze herabsetzen.
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DE 87 12 013 U1 zeigt einen Satinierkalander
mit einer harten Walze und einer weichen Walze, deren Walzenbezug
aus Elastomeren besteht. Der Walzenbezug weist eine raube Oberfläche auf,
die rauhgeschliffen, sandgestrahlt oder auf andere Weise strukturiert
sein kann. Damit möchte
man Papiere erzeugen, die auf der Seite, mit der sie an der harten Walze
anliegen, glatt sind, auf der anderen Seite aber rauh. Derartige
Papiere werden beispielsweise für Etiketten
verwendet, deren Rückseite
besonders aufnahmebereit für
Leim sein muß.
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In
DE 43 45 128 A1 ist eine Prägevorrichtung beschrieben,
bei der ein Behandlungsnip durch zwei Walzen gebildet ist, die beide
einen relativ weichen Außenbereich
aufweisen. In diesen Außenbereichen der
beiden Walzen sind komplementäre
Vertiefungen und Erhebungen ausgeführt, die in einer zu behandelnden
Papierbahn ein Prägungsmuster
erzeugen. In einer Ausführungsform
ist außerdem
vorgesehen, daß eine
der beiden Walzen eine glatte Oberfläche, im Sinne von einer geschlossenen
Oberfläche,
aufweist.
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US
4 610 743 zeigt ein Verfahren, bei dem aus mindestens zwei
Papierbahnen eine kreppartige Verbundbahn mit hoher Saugfähigkeit
hergestellt wird. Hierzu ist mindestens ein Walzenspalt vorgesehen,
in dem die beiden Papierbahnen aneinander gelegt und in gewissen
Abständen
miteinander verklebt werden. Dabei führt eine Walze des Walzenspaltes den
Papierbahnen von einer Seite eine Bindeflüssigkeit zu. An der Außenseite
der an deren Walze des Walzenspalts ist ein Gummimantel mit Erhebungen ausgeführt, die
im Walzenspalt jeweils einen Druck erzeugen. Durch diesen Druck
wird die Bindeflüssigkeit
in beide Materialbahnen gedrückt
und sorgt in diesen Bereichen für
eine Verbindung beider Materialbahnen.
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In
DE 1 905 198 A ist ein Verfahren zum Herstellen
von Walzen mit elastischen Oberflächen gezeigt, mit dem bestimmte
Oberflächenstrukturen
auf Folien aus thermoelastischem Kunststoff erzeugt werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
weiteres Prägeverfahren
zur Verfügung
zu stellen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Papierprägekalander
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die harte Walze eine glatte
Oberfläche
aufweist und die weiche Walze eine glatte Oberfläche aufweist, in der Vertiefungen
ausgebildet sind, die einem Prägemuster
entsprechen, wobei die zwischen den Vertiefungen verbleibenden Oberflächenbereiche
einen arithmetischen Mittenrauhwert Ra von < 1 μm aufweisen.
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Als harte Walze wird eine Walze mit
einer unnachgiebigen Oberfläche
angesehen. Derartige Walzen bestehen üblicherweise aus Metall. Zumindest ist
ihre Oberfläche
aus einer entsprechend harten Metallschicht gebildet. Die weiche
Walze ist eine Walze mit einer nachgiebigen, d.h. elastischen Oberflächenschicht,
die üblicherweise
durch einen Belag gebildet ist, der auf einem Träger angeordnet ist. Die früher üblichen
Papierwalzen sind heute fast durchgehend durch Walzen mit Kunststoffbelägen verdrängt worden.
Derartige Kunststoffbeläge
haben den Vorteil, daß sie
relativ glatt ausgebildet sein können.
Bei dem Papierprägekalander
wirken also zu nächst
zwei Walzen zusammen, die glatte Oberflächen aufweisen. Allerdings
ist in die glatte Oberfläche der
weichen Walze ein Prägemuster
eingearbeitet. Wenn nun die Papierbahn durch den Nip zwischen der
harten und der weichen Walze geführt
wird, dann erfährt
sie in den vertieften Bereichen der weichen Walze eine andere Behandlung
als in den verbleibenden Bereichen. In letzteren wird die Papierbahn
beispielsweise beidseitig geglättet,
während
sie in den vertieften Bereichen unbehandelt bleibt. Auf diese Weise
läßt sich
ein Muster in die Papierbahn einprägen. Die Lebensdauer der weichen
Walze bleibt relativ hoch, weil der Belag der weichen Walze nicht
wesentlich stärker
umgeformt wird, als dies bei "normalen" Kalandern der Fall
ist, in denen einen weiche Walze und eine harte Walze zusammenwirken.
Das Prägemuster
bleibt relativ lange erhalten. Das Herstellen der Prägemuster
ist in der weichen Walze einfacher als in der harten Walze, weil
das Material an der Oberfläche
der weichen Walze einer Bearbeitung einen geringeren Widerstand
entgegensetzt. Mit einer Rauhigkeit von ≤ 1 μm ist die Oberfläche der
weichen Walze relativ glatt, was sich mit modernem Kunststoff erreichen
läßt. Vorzugsweise
liegt die Rauhigkeit Ra zwischen 0,3 und 1 μm. Die Rauhigkeit sollte auf
jeden Fall so klein sein, daß sich
in den Oberflächenbereichen
zwischen den Vertiefungen keine Mattsatinage ergibt, bei der die
Papieroberfläche
aufgerauht wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung
ist vorgesehen, daß die
Vertiefungen größer als
0,1 mm sind. Mit einer derartigen Größe wird ein ausreichender Abstand
zwischen dem Boden der Vertiefungen und den verbleibenden Bereichen
geschaffen, so daß Muster
geprägt
werden können.
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Vorzugsweise sind die Vertiefungen
größer als
1 mm. Damit ist es möglich,
die weiche walze mehrmals abzu schleifen. Erfahrungen haben gezeigt,
daß bei
einem Nachschleifvorgang etwa 0,25 mm Material entfernt wird. Dies
erlaubt es, das Prägen über einen
längeren
Zeitraum durchzuführen. Wenn
hingegen bei jedem Nachschleifvorgang ein neues Muster erzeugt werden
soll, wählt
man die Vertiefungen mit einer Tiefe von weniger als 0,2 mm.
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Vorzugsweise weisen die Vertiefungen
jeweils Bodenflächen
auf, deren Rauhigkeit größer als die
der Oberfläche
ist. Diese Ausgestaltung hat mehrere Vorteile. Zum einen ist es
nicht erforderlich, die Bodenflächen
zu glätten.
Nach dem Einbringen der Vertiefungen können sie vielmehr in der Rauhigkeit belassen
werden, die durch den Bearbeitungsvorgang hervorgerufen worden ist.
Vor allem kann man aber auch in Kauf nehmen, daß die Tiefe der Vertiefungen
nach mehreren Nachschleifvorgängen
stark abgenommen hat. Selbst wenn die Papierbahn dann die Bodenfläche der
Vertiefungen kontaktiert, ist das Muster noch zu erkennen.
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Vorzugsweise entspricht die Glätte der
Oberflächenbereiche
einer frisch überschliffenen
weichen Walze der Glätte
der Oberfläche
der harten Walze nach einer vorbestimmten Betriebszeit. Auch die Oberfläche der
harten Walze ist also glatt, so daß man beim Prägen der
einen Seite der Papierbahn eine relativ hohe Glätte vermittelt, während die
andere Seite der Papierbahn nur in den Oberflächenbereichen zwischen den
Vertiefungen geglättet
wird. Eine frisch überschliffene
weiche Walze weist vielfach einen Rauhigkeitswert Ra im Bereich
von 0,3 bis 0,5 μm
auf, der sich im Lauf des Betriebs auf etwa 1 μm verändert. Eine harte Walze, beispielsweise
aus Hartguß,
hat nach dem Schleifen eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 0,08 μm, die sich
nach einer gewissen Betriebszeit auf 0,5 μm verschlechtert. Wenn dieser
Wert erreicht ist, ist in der Regel wieder eine Überarbeitung erforderlich.
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Bevorzugterweise sind die Vertiefungen
gefräst
oder gedreht. Fräsen
ist eine relativ einfache Bearbeitungsart, um die Vertiefungen herzustellen. Mit
Drehen lassen sich vorzugsweise Muster erzeugen, die später in der
Papierbahn in Längsrichtung verlaufen.
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In einer alternativen Ausgestaltung
können die
Vertiefungen geätzt
sein. Damit lassen sich wesentlich komplexere Muster erstellen,
beispielsweise mit Hilfe von photolithographischen Verfahren. Allerdings
ist die Handhabung der Walze beim Ätzen etwas aufwendiger.
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Bevorzugterweise liegt die Streckenlast
im Nip im Bereich von 100 bis 400 N/mm, vorzugsweise von 150 bis
250 N/mm. Diese Streckenlast ist geeignet, einen deutlich erkennbaren
Unterschied in den Oberflächenbereichen
zwischen den Vertiefungen und den Vertiefungen zu erzeugen, so daß das Prägemuster
gut erkennbar ist.
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Auch ist bevorzugt, daß die harte
Walze auf eine Oberflächentemperatur
im Bereich von 50 bis 150°C,
vorzugsweise 100 bis 130°C,
beheizt ist. Im Nip entstehen dann entsprechende Temperaturen, die
zu einer entsprechenden Verformung der Papierbahn im Nip nützlich sind.
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Vorteilhafterweise rotieren die Walzen
mit einer Umfangsgeschwindigkeit im Bereich von 600 bis 1000 m/min, vorzugsweise
von 700 bis 950 m/min. Mit dem Prägekalander ist es also möglich, auch
bei einer relativ schnell laufenden Papierbahn die gewünschten
Muster einzuprägen,
so daß man
trotz des Verfahrensschrittes der Musterprägung eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit
und damit eine hohe Ausbeute erzielen kann.
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Vorzugsweise ist der Kalander als
Online-Kalander ausgebildet. Man kann also das Prägen der
Papierbahn unmittelbar im Anschluß an eine Papier- oder Streichmaschine
bewirken. Damit wird der Aufwand für das Prägen relativ klein gehalten.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Papierprägekalanders und
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2 eine
schematische Darstellung einer Abwicklung einer Oberfläche der
weichen walze.
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1 zeigt
schematisch einen Papierprägekalander 1 mit
einer harten Walze 2, die eine glatte Oberfläche aufweist,
und einer weichen Walze 3, die einen Kunststoffbelag 4 aufweist,
dessen Oberfläche ebenfalls
glatt ist. Die Rauhigkeit Ra der Oberfläche der weichen Walze 3 liegt
im Bereich von 0,3 bis 1 μm,
d.h. die Walze 3 weist nach dem Schleifen eine Rauhigkeit
Ra im Bereich von 0,3 bis 0,5 μm
auf, die dann im Betrieb auf etwa 1 μm zunimmt. In entsprechender
Größenordnung
liegt die Rauhigkeit der Oberfläche
der harten Walze 2. Hier nimmt die Rauhigkeit im Betrieb
von etwa 0,08 μm
auf etwa 0,5 μm ab,
bevor eine Überarbeitung
erforder lich wird. Gegebenenfalls kann die Oberfläche der
harten Walze auch noch glatter sein.
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Die beiden Walzen 2, 3 bilden
zusammen einen Nip 5, durch den eine Papierbahn 6 geführt wird. Der
Papierprägekalander 1 ist
ausschließlich
zum Prägen
von Papierbahnen 6 gedacht.
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Beim Prägen soll in die Oberseite der
Papierbahn 6 ein Muster eingebracht werden. Die Oberseite ist
im vorliegenden Fall die Seite, die an der weichen Walze 3 anliegt.
Um dies zu bewirken, weist die Oberfläche der weichen Walze 3 Vertiefungen 7 auf, die
in 2 zu erkennen sind. 2 zeigt einen Ausschnitt
einer Abwicklung der Oberfläche
der weichen Walze 3, d.h. einen Blick auf die radiale Außenseite des
Belages 4.
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Der Belag 4 weist also an
seiner Oberfläche Vertiefungen 7 auf,
zwischen den Oberflächenbereiche
oder Stege 8 verbleiben, deren Rauhigkeit der Rauhigkeit
der ursprünglichen
Oberfläche
des Belages 4 entspricht. Die Rauhigkeit in den Bodenflächen der
Vertiefungen 7 kann und sollte größer sein als die Rauhigkeit
der verbleibenden Oberflächenbereiche 8.
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Die Papierbahn 6 wird im
Nip 5 mit Druck beaufschlagt. Hierbei wirken nicht näher dargestellte Anpreßelemente
so auf die beiden Walzen 2, 3, daß im Nip 5 eine
Strekkenlast von 100 bis 400 N/mm herrscht. Bevorzugterweise liegt
die Streckenlast im Bereich von 150 bis 250 N/mm. Dabei werden die
Bereiche der Papierbahn 6, die zwischen den verbleibenden
Oberflächenbereichen 8 und
der harten Walze 2 liegen, stärker verdichtet als die Bereiche
der Papierbahn 6, die sich den Vertiefungen 7 gegenüber sehen.
Gleichzeitig werden die an den Oberflächenbereichen 8 anliegenden
Bereiche der Papierbahn
6 auch stärker geglättet. Dies führt dann
dazu, daß auf der
Oberfläche
der Papierbahn 6 unterschiedliche Bereiche entstehen, die
optisch und gegebenenfalls auch durch Fühlen klar voneinander unterschieden werden
können.
Beispielsweise glänzen
die Bereiche der Papierbahn 6, die an den Oberflächenbereichen 8 angelegen
haben, stärker
als die, die die Vertiefungen 7 abgedeckt haben.
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Unterstützt werden kann die Bearbeitung
der Papierbahn 6 im Nip 5 noch dadurch, daß die harte Walze 2 beheizt
ist. Als geeignet haben sich hier Oberflächentemperaturen im Bereich
von 50 bis 150°C,
vorzugsweise 100 bis 130°C,
erwiesen.
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Die Vertiefungen 7 haben
eine Tiefe von mehr als 1 mm. Selbst wenn man also die verbleibenden
Oberflächenbereiche 8 mehrfach
nachschleift und bei jedem Nachschleifvorgang ein Materialabtrag
in der Größenordnung
von 0,25 mm erfolgt, steht eine genügend große Reserve zur Verfügung, so
daß das
Papierprägemuster über einen
relativ langen Zeitraum erhalten werden kann.
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Wenn man hingegen wünscht, daß nach jeder Überarbeitung
der Walze ein neues Prägemuster vorgesehen
werden soll, ist es zweckmäßig, die
Tiefe der Vertiefungen 7 in einer Größenordnung von etwa 0,2 mm
oder darunter vorzusehen. In diesem Fall wird durch das Nachschleifen
wieder eine vollkommen glatte Oberfläche der Walze 3 zur
Verfügung
gestellt, in die ein neues Muster eingearbeitet werden kann.
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Die Vertiefungen 7 können auf
mehrere Arten hergestellt werden. Eine besonders einfache Art besteht
darin, daß die
Vertiefungen 7 gefräst
werden. In diesem Fall wird ein Fräswerkzeug 7 in den
elastischen Belag 4 der wei chen Walze 3 eingesenkt
und beaufschlagt die Weiche Walze 3 so, daß lediglich die
Stege oder verbleibenden Oberflächenbereiche 8 übrigbleiben.
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Eine andere, ebenfalls relativ einfache
Art, das Prägemuster
zu erzeugen, besteht darin, die weiche Walze 3 in bestimmten
Bereichen abzudrehen, um die Vertiefungen 7 zu erzeugen.
Eines derartiges Bearbeiten ist insbesondere dann von Vorteil, wenn sich
das Muster linienartig in Längsrichtung
der geprägten
Papierbahn erstreckt.
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In einer alternativen Ausgestaltung
kann man die Vertiefungen 7 auch herausätzen. In diesem Fall werden
die verbleibenden Oberflächenbereiche 8 mit
einer säurefesten
Schicht abgedeckt und die Vertiefungen 7 dann durch das
Aufbringen von Säure hergestellt.
Hierbei lassen sich wesentlich feinere Strukturen erzeugen als beim
Fräsen.
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Dargestellt ist ein Prägemuster,
bei dem die verbleibenden Oberflächenbereiche
ein diagonales Netz bilden. Natürlich
sind auch andere Muster denkbar, bis hin zu "Wasserzeichen"-Strukturen, d.h. bildlichen Darstellungen
von ausgewählten
Objekten.
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Der Prägekalander 1 kann
als Online-Kalander eingesetzt werden, d.h. die Papierbahn kann
unmittelbar im Anschluß an
eine Papier- oder Streichmaschine geprägt werden. Hierzu rotieren
die Walzen 2, 3 mit einer Umfangsgeschwindigkeit
in der Größenordnung
von 600 bis 1000 m/min. Trotz dieser relativ hohen Geschwindigkeit
ist ein Prägen
der Muster mit der gewünschten
Qualität
möglich.