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Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Formgebungs- und Fertigungstechnologien, der Keramik und des Maschinenbaus und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von strukturierten Breit-Flach-Erzeugnissen, insbesondere in Form von Bändern und Folien und insbesondere aus keramischen oder pulvermetallurgischen Materialien und eine Vorrichtung zur Anwendung dieses Verfahrens. Strukturierte keramische Grünkörper können beispielsweise nach dem Brennen als keramische Membranen oder als keramische Wärmetauscher eingesetzt werden.
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Durch Foliengießen hergestellte Keramikfolien weisen durch den organischen Binderanteil eine mehr oder weniger starke Flexibilität und Verformbarkeit auf. Für bestimmte Anwendungsfälle ist es erforderlich, die zunächst planaren Folien zu strukturieren. Zusätzlich zum Strukturieren kann auch es auch noch erforderlich sein, eine strukturierte mit einer planaren Folie zu verbinden. so dass Kanäle entstehen. Ein derartiger Aufbau ist bei keramischen Wärmetauschern bekannt. Eine keramische Flachmembran als Multikanalelement, die durch Verbinden einer gewellten und einer planaren Keramikfolie erhalten wird, ist in
DE 198 57 590 A1 beschrieben. Neben einer einschichtigen Folie kann auch ein Folienverbund, das heißt, eine aus mehreren unterschiedlichen Schichten bestehende Folie strukturiert werden.
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Eine wellenförmige Struktur kann erzeugt werden durch uniaxiales Prägen zwischen zwei strukturierten Prägestempelflächen oder durch radiales Prägen zwischen zwei strukturierten zylindrischen Walzen. Diese Verfahren haben den Nachteil, dass sie nur diskontinuierlich arbeiten und/oder eine sehr hohe Zug- oder Druckbelastung der Folien auftritt. Diese hohe Zugbelastung oder auch andere mechanische Beanspruchungen führen dazu, dass die Keramikfolie reißt oder aber zumindest so stark verformt wird, dass die Pulverteilchenpackung in der Folie ungleichmäßig verändert wird, was eine Weiterverarbeitung der Folie unmöglich macht.
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Diese Nachteile treten auch bei aus der Kunststoff- und Papierverarbeitungtechnik bekannten Verfahren auf, wie beispielsweise Verfahren zur Zickzacklegung (
DE 198 03 837 A1 ) oder zum Z-förmigen Falten (
DE 198 05 320 A1 ) von flexiblen Bahnen, die für Textil- oder Kunststofffolien anwendbar sind. Ein Verfahren zur Verformung von Blech, das zu sinusförmigen Wellen führt, ist mit einer Dickenverminderung von mindestens 50% verbunden, was auf eine hohe Druckbelastung hinweist. Die genannten Beispiele sowie weitere Verfahren zur Faltung von Papierbahnen (
DE 198 37 238 A1 ), Kunststofffiltermaterialien (
DE 198 40 231 A1 ), sowie Verfahren, die in der einen oder anderen Weise eine wellenförmiger Prägung durch rotierende Riffelwalzen vorsehen (
US 4 319 473 A ;
US 3 920 496 A ;
US 5 069 053 A ), lassen neben den zu erwartenden Zug- oder Druckbelastungen der Folie nur eine beschränkte Variabilität hinsichtlich der Dicke der zu verformenden Folie oder Amplitude und Wellenabstand zu. Desweiteren lässt sich in diese Verfahren kein zusätzlicher Schritt zum Verbinden einer planaren und einer strukturierten Folie integrieren.
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Weiterhin ist aus der
DE 17 04 876 B2 ein Verfahren zur Herstellung von Polyesterlaminaten bekannt, bei dem eine Polyesterbahn zwischen zwei Folien eingefasst wird und während der Polymerisation und Aushärtung mittels zweier Stempel in eine Form gedrückt, dort durch Ansaugen festgehalten, mittels Elektronenstrahl polymerisiert und nachfolgend aus der Form entfernt wird.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von strukturierten Breit-Flach-Erzeugnissen, insbesondere von keramischen Grünkörpern, anzugeben, durch die die verformbaren Breit-Flach-Erzeugnissen während der Strukturierung einer geringen mechanischen Belastung unterworfen werden und sich die Eigenschaften über das gesamte Erzeugnis nicht oder nicht wesentlich ändern.
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Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von strukturierten Breit-Flach-Erzeugnissen 5 wird ein unstrukturiertes, formbares Breit-Flach-Erzeugnis 5 auf ein strukturiertes Formteil 1 mit strukturierter Oberfläche zugeführt, und zur Fixierung auf dem strukturierten Formteil 1 werden mindestens zwei bewegliche Kämme 2 und 3 mit Zähnen eingesetzt, wobei zuerst ein mindestens erster Kamm 2 das Breit-Flach-Erzeugnis 5 auf dem strukturierten Formteil 1 andrückt und fixiert und anschließend ein mindestens zweiter Kamm 3 das Breit-Flach-Erzeugnis 5 räumlich entfernt von dem mindestens ersten Kamm 2 andrückt und fixiert, und anschließend der mindestens erste Kamm 2 in die Freiräume des mindestens zweiten Kammes 3 bewegt wird und das Breit-Flach-Erzeugnis 5 dabei andrückt und fixiert, und danach der mindestens zweite Kamm 3 räumlich vom mindestens ersten Kamm 2 weg bewegt wird, und diese Abfolge mehrmals wiederholt wird, wobei das unstrukturierte Breit-Flach-Erzeugnis 5 mittels einer Klemmleiste 4 gegen eine dem ersten Kamm 2 abgewandte Kammseite des zweiten Kammes 3 gepresst und vorbeigeführt wird und weiter zwischen die strukturierte Oberfläche des Formteiles 1 und die Zähne der Kämme 2 und 3 geführt wird, wobei die beweglichen Kämme 2 und 3 eine Bewegung relativ zur strukturierten Oberfläche des Formteiles 1 ausführen und die Form der strukturierten Oberfläche des Formteiles 1 nachfahren und dabei das Breit-Flach-Erzeugnis 5 auf dem strukturierten Formteil 1 angedrückt und fixiert wird und eine dauerhafte Verformung des Breit-Flach-Erzeugnisses 5 erfolgt, und anschließend das strukturierte Breit-Flach-Erzeugnis 5 von dem strukturierten Formteil 1 abgelöst wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem strukturierten Formteil, wobei das Formteil auch nur auf seiner Oberfläche strukturiert ausgebildet sein braucht. Weiterhin sind mindestens zwei Kämme mit mehreren Zähnen vorhanden, vorteilhafterweise zwei Kämme mit mehreren Zähnen neben- und hintereinander. Die Kämme sind gegenüber der strukturierten Oberfläche des Formteiles beweglich gelagert, wobei die Kämme die Form der strukturierten Oberfläche mit ihren Bewegungen nachfahren können. Beide Kämme können gegen das Breit-Flach-Erzeugnis auf der strukturierten Oberfläche gedrückt werden. Eine Vorrichtung zur Zuführung eines unstrukturierten Breit-Flach-Erzeugnisses realisiert die Zuführung des unstrukturierten Breit-Flach-Erzeugnisses zwischen die strukturierte Oberfläche und die Zähne der Kämme. Die Zähne der Kämme greifen ineinander, wobei der Zahn des einen Kammes in die Lücke des anderen Kammes greift. Bei einer vorteilhafterweise wellenförmigen Oberfläche des strukturierten Formteiles folgt die Bewegung der Kämme der Oberfläche des Formteiles in der jeweiligen Position relativ zur Oberfläche des Formteiles und drückt dabei das Breit-Flach-Erzeugnis auf der Oberfläche an. Dadurch wird im einfachsten Fall das Breit-Flach-Erzeugnis auf dem strukturieren Formteil fixiert. Diese Fixierung kann noch durch Vorrichtungen zur Erzeugung eines Unterdruckes, beispielsweise einer Vakuumkammer, oder durch punktuelle oder bereichsweise Erwärmung des Breit-Flach-Erzeugnisses oder der Formteiloberfläche unterstützt werden. Die Bereiche der Zähne der Kämme, die mit dem Breit-Flach-Erzeugnis in Berührung kommen, können glatt oder ebenfalls strukturiert ausgebildet sein.
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Alle Vorrichtungsbestandteile können ganz oder teilweise aus Metall, Keramik oder Kunststoff bestehen.
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Das Ergebnis der Strukturierung des Breit-Flach-Erzeugnisses ist eine dauerhafte Verformung gemäß der Struktur des Formteiles.
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Vorteilhafterweise ist die Zuführung für das unstrukturierte Breit-Flach-Erzeugnis an der Unterseite des Kammes angeordnet, der in Arbeitsrichtung zuerst gegenüber dem Breit-Flach-Erzeugnis angeordnet ist. Ebenfalls vorteilhafterweise wird dabei das Breit-Flach-Erzeugnis mittels einer Klemmleiste an die Kammunterseite gedrückt. Dadurch wird das Auftreten von unerwünschten Spannungen vermieden. Eine Haftung des unstrukturierten Breit-Flach-Erzeugnisses an dem Kamm muss unterbunden werden. Die Haftung des strukturierten Breit-Flach-Erzeugnisses auf der strukturierten Formteiloberfläche muss lösbar sein.
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Als Breit-Flach-Erzeugnis können alle derartigen Materialien eingesetzt werden, die formbar sind. Vorteilhafterweise können dies Bänder oder Folien aus Metall, Pulvermetall, Kunststoff oder Grünkörper aus keramischen, pulvermetallurgischen, Glas- oder Glaskeramik-Materialien oder Gemische oder Mischungen von ihnen sein. Es ist auch möglich, dass die Folien oder Bänder aus einem einheitlichen Material oder unterschiedlichen Materialien bestehen, oder auch aus einer oder mehreren Schichten aufgebaut sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von strukturierten Breit-Flach-Erzeugnissen 5 besteht aus einer Vorrichtung, die ein strukturiertes Formteil 1 mit strukturierter Oberfläche aufweist und als einen mindestens ersten beweglichen Kamm 2 mit Zähnen und einen mindestens zweiten beweglichen Kamm 3 mit Zähnen und einer Zuführvorrichtung, welche das Breit-Flach-Erzeugnis 5 zwischen die strukturierte Oberfläche und die Zähne der Kämme 2 und 3 führt, wobei die beweglichen Kämme 2 und 3 derart gegenüber der strukturierten Oberfläche des Formteiles 1 angeordnet sind, dass die zwei beweglichen Kämme 2 und 3 eine Bewegung relativ zur Oberfläche des strukturierten Formteiles 1 durchführen und die Form der strukturierten Oberfläche des Formteiles 1 nachfahren und andrücken können und die Zuführvorrichtung als Klemmleiste 4 ausgestaltet ist, wobei die Klemmleiste 4 an der von dem ersten Kamm 2 abgewandten Kammseite des zweiten Kammes 3 angebracht ist zum Anpressen des noch unstrukturierten Breit-Flach-Erzeugnisses 5 gegen diese abgewandte Kammseite des zweiten Kammes 3 (siehe 1–3 und 5).
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Nach dem Auflegen der beispielsweise Folien auf die strukturierte Oberfläche wird erfindungsgemäß mittels der Kämme die Folio auf/an die strukturierte Oberfläche gedrückt. Durch das Andrücken der Folien mittels der Kämme, erfolgt zuerst eine Fixierung auf der Formteiloberfläche. Weiter Verarbeitungsschritte sind auf dem Formteil oder auch nach Entfernung des strukturierten Breit-Flach-Erzeugnisses von dem Formteil möglich. Ergebnis der Strukturierung ist die dauerhafte Verformung der Folie, vorteilhafterweise einer Keramikfolie.
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Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung des strukturierten Formteiles in Form einer Trommel, auf dessen Oberfläche die Strukturierung ausgebildet ist und in dessen Inneren die verschiedenen Vorrichtungen zur Fixierung, Erwärmung und Ablösung der Folie angeordnet sein können.
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Es ist aber auch ein Plattenband einsetzbar, dessen gelenkig miteinander verbundenen Platten die strukturierte Oberfläche bilden.
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Nach dem Bereich der Strukturierung der Folie kann diese von der Oberfläche abgelöst werden oder beispielsweise mit einer weiteren planaren Folie bedeckt werden, wobei die Verbindung zwischen den beiden Folien nur punkt- oder bereichsweise erfolgen kann. Im Falle einer wellenförmigen Ausbildung der Trommeloberfläche wird beispielsweise die planare Folie nur in den Bereichen der Wellenberge, vorteilhafterweise durch Verschweißen oder Verkleben mit der strukturierten Folie verbunden. Dies kann durch ortsfeste Heizzonen erreicht werden. Um ebenfalls ein gutes Verkleben oder Verschweißen der Folien zu erreichen, kann beispielsweise die wellenförmig verformte Folie im Bereich der Wellenberge mit einer Flüssigkeit oder Suspension benetzt werden. Diese Flüssigkeit oder Suspension kann beispielsweise ein Foliengießschlicker sein oder kann die bei der Folienherstellung verwendeten Lösungsmittel enthalten. Ebenso ist eine Klebelösung anwendbar.
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Eine Anordnung von mehreren Trommeln beispielsweise nebeneinander, wobei diese gegenläufig arbeiten, ist ebenfalls möglich. Damit wäre beispielsweise die Verbindung von zwei ganz oder teilweise strukturierten Folien möglich.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, kontinuierlich und schonend Breit-Flach-Erzeugnisse zu strukturieren. Die Zusammensetzung und innere Struktur des eingesetzten Breit-Flach-Erzeugnisses ändert sich durch die Strukturierung nicht oder nicht wesentlich. Die Eigenschaften des eingesetzten Breit-Flach-Erzeugnisses, wie beispielsweise die Dichte, die Porosität, der Schichtaufbau usw., ändern sich über das gesamte Erzeugnis während und nach der Strukturierung nicht oder nicht wesentlich.
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Weiterhin ist sehr vorteilhaft, dass Zugspannungen in dem zu strukturierenden Breit-Flach-Erzeugnis weitgehend vermieden werden können.
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Im Weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Dabei zeigen
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1 die Vorrichtung und Verfahrensweise des Andrückens und Verformens des Breit-Flach-Erzeugnisses 5 durch zwei Kämme 2, 3,
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2 den Schnitt A-A, das Ineinandergreifen der Zähne 6, 7 der Kämme 2, 3
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3 die Vorrichtung und Verfahrensweise des Andrückens und Verformens des Breit-Flach-Erzeugnisses 5 durch Eingriff in mehrere Wellen,
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4 den schematischen Aufbau der Vorrichtung
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5 die Vorrichtung und Verfahrensweise bei kontinuierlicher Arbeitsweise
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Beispiel 1
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Eine Kunststofffolie 5 wird unterhalb eines Kammes 3 auf die Oberfläche einer Trommel 1 mit einer wellenförmig ausgebildeten Oberfläche geführt. Die Führung wird durch eine Klemmleiste 4 unterstützt. Durch den weiteren Kamm 2 wird die Folie 5 in das vorherige Wellental 1a gedrückt und der Kamm 2 verbleibt dort. Währenddessen drückt der Kamm 3, der die Folie 5 führt, die Folie 5 in das nächste Wellental 1b. Nun hebt sich der erste Kamm 2 an und die Trommel 1 bewegt sich soweit vorwärts, bis der Kamm 2 sich über dem Wellental 1b befindet in dem der Kamm 3 die Folie 5 angedrückt hat. Der Kamm 3 ist während der Vorwärtsbewegung der Trommel 1 in seiner Position im Wellental 1b verblieben. Nun senkt sich der Kamm 2 ab und drückt die Folie 5 in das Wellental 1b an. Durch das Ineinandergreifen der Zähne 6, 7 der Kämme 2, 3 werden die bisher noch nicht angedrückten Bereiche der Folie 5 auf die Oberfläche gedrückt. Nun verbleibt der erste Kamm 2 in dem Wellental 1b und der Kamm 3, der die Folie 5 führt, bewegt sich mit gelöster Klemmleiste 4 nach oben und entgegen der Trommeldrehbewegung bis über das nachfolgende Wellental 1c und drückt dort die Folie 5 an. Zum Folientransport wird die Klemmleiste 4 gelöst, die bis dahin ein Nachrutschen der Folie 5 verhindert hat.
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Dieser Verfahrensverlauf wird ständig wiederholt.
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Die Bewegungsrichtungen der Kämme 2, 3 und der Oberfläche ist in den Figuren angegeben.
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Durch Erwärmung der Kunststofffolie 5 verliert diese ihre Eigenspannung und bleibt während des gesamten Strukturierungsvorganges auf der Oberfläche liegen.
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Zur Unterstützung der Fixierung sind in die Trommelwandung düsenartige Kanäle 8 eingearbeitet, die das Ansaugen der Folie 5 mittels Unterdruck ermöglichen.
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Eine Variante der Erfindung nach 3 und 4 ermöglicht das Andrücken gleichzeitig in mehreren Wellentälern, wobei der Verfahrensablauf wie in 1 dargelegt identisch ist. Mit dieser Variante ist eine größere Fläche in der gleichen Zeiteinheit strukturierbar.
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Beispiel 2
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Eine keramische Grünfolie 5 auf einer Rolle 10 wird unterhalb des Kammes 3 auf die Oberfläche der Trommel 1 geführt. Dabei drückt die Klemmleiste 4 die Folie 5 an die Unterseite des Kammes 3 an. Kamm 2 drückt nun die Folie 5 in das Wellental 1a und verbleibt dort. Kamm 3 führt nun die Folie 5 in das nächste Wellental 1b und drückt es dort fest. Nunmehr bewegt sich Kamm 2 aufwärts und die Trommel bewegt sich vorwärts, bis der Kamm 2 über dem Wellental 1b steht, in dem der Kamm 3 die Folie 5 andrückt. Nun hebt sich der Kamm 3 mit gelöster Klemmleiste 4 an und bewegt sich entgegen der Trommelbewegung bis über das Wellental 1c und drückt dort die Folie 5 fest. Die in der Oberfläche der Trommelwandung befindlichen Düsen 8 schaffen die Verbindung zur Vakuumkammer 11, wodurch die Folie 5 auf der Oberfläche der Trommel 1 angesaugt wird.
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Die Trommel 1 bewegt sich schrittweise entgegen dem Uhrzeigersinn. Die Folie 5 läuft nach dem Strukturieren mit der Trommeloberfläche weiter. Anschließend wird eine planare Folie 17 über ein temperaturbeständiges und luftdurchlässiges Spannband 15, welches die Trommel 1, durch Umlenkrollen 16 geführt, teilweise umgreift, auf die strukturierte Folie 5 gedrückt. Dadurch erfolgt die Verbindung der planaren Folie 17 und der wellenförmigen Folie 5 in den Bereichen der Wellenberge. Unterstützt wird diese Verbindung durch ortsfeste Heizzonen 12, 13.
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Bei Erreichen der Druckkammer 14 verlässt das Spannband 15 die Trommel 1 und die verbundenen Folien 17, 5 werden durch Druckluft von der Trommel 1 abgelöst.
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Beispiel 3
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Eine als Band gegossene Kunststofffolie 5 wird unterhalb des Kammes 3 auf die wellenförmige Oberfläche des strukturierten Formteiles 1 geführt. Danach drückt die Klemmleiste 4 die Folie 5 an die Unterseite des Kammes 3 an. Kamm 2 hat die Folie 5 in dem vorherigen Wellental 1a mittels Druckaufbringung fixiert. Durch den Kamm 3 wird nun die Folie in das nachfolgende Wellental 1b gedrückt und damit fixiert. Das strukturierte Formteil 1 bewegt sich dabei kontinuierlich vorwärts und synchron dazu auch die Kämme 2 und 3. Kamm 2 bewegt sich nun nach oben und entgegen der Bewegungsrichtung des strukturierten Formteiles 1 und drückt die Folie 5 dann ebenfalls in dem Wellental 1b fest, in dem sich bereits die Zähne 6 des Kammes 3 befinden. Die Zähne 7 des Kammes 2 greifen dabei in die Zähne 6 des Kammes 3. Das strukturierte Formteil 1 bewegt sich weiter kontinuierlich vorwärts und synchron dazu ebenfalls die Kämme 2 und 3 in ihrer jeweiligen Position relativ zur Oberfläche des Formteiles 1. Nunmehr bewegt sich Kamm 3 mit gelöster Klemmleiste 4 nach oben und entgegen der Bewegungsrichtung des strukturierten Formteiles 1 in das nachfolgende Wellental 1c und drückt dann die nachgeführte unstrukturierte Folie 5 dort fest. Danach beginnt der Strukturierungsvorgang von vorn.
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Die in der Oberfläche des strukturierten Formteiles 1 befindlichen Düsen 8 schaffen die Verbindung zur Vakuumkammer 11, wodurch die Folie 5 auf der Oberfläche des Formteiles 1 angesaugt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- strukturiertes Formteil
- 2
- Kamm
- 3
- Kamm
- 4
- Klemmleiste
- 5
- Breit-Flach-Erzeugnis
- 6
- Zahn der Kämme
- 7
- Zahn der Kämme
- 8
- Düsenartige Kanäle
- 9
- Drehachse
- 10
- Folienrolle
- 11
- Vakuumkammer
- 12
- Heizzone
- 13
- Heizzone
- 14
- Druckluftkammer
- 15
- Spannband
- 16
- Umlenkrollen
- 17
- Breit-Flach-Erzeugnis
- 22
- mehrwelliger Kamm
- 23
- mehrwelliger Kamm
