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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum flächigen Spannen eines Folienelementes
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1, und ein Verfahren zum flächigen Spannen eines Folienelementes
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 19.
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Spannvorrichtungen,
insbesondere Spannrahmen, zur Handhabung flexibler Folien, Gewebe und
Bleche sind in unterschiedlicher Weise gebräuchlich. Diese weisen meistens
einen formstabilen Rahmen auf, über
den das Folienelement mit Hilfe von Spannpratzen oder einer Vielzahl
von justierbaren Klemmvorrichtungen straft eingespannt werden kann,
um die Folie sodann einer Weiterbearbeitung zuführen zu können (
FR 110 2526 ).
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Derartige
Spannrahmen sind jedoch ungeeignet für Folien, die beispielsweise
durch Wasseraufnahme, thermische Ausdehnung und Trocknungsprozesse
ihre Abmessungen verändern,
da die starren Rahmen oder Trägerkörper etwaige
Größenänderungen
der Folie in der Spannebene nicht kompensieren können.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und
ein Verfahren zum Spannen eines Folienelementes der eingangs genannten
Art derart zu verbessern, dass sie Größenveränderungen der zu spannenden
Folien kompensieren können.
Für eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorzugsweise
sind die Gelenkelemente als federnde Gelenke ausgebildet. Insbesondere
sind die Gelenkelemente als Festkörpergelenke ausgebildet. Hierbei
können
die Gelenkelemente durch Schwächungen,
Verjüngung
oder teilweise Ausnehmungen des Spannrahmens zwischen zwei benachbarten
Rahmenelementen ausgebildet sein.
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Durch
das Vorsehen von Spannrahmen mit einer Mehrzahl von untereinander
gelenkig verbundenen Rahmenelementen, wobei die Gelenkelemente insbesondere
als Festkörpergelenke
ausgebildet sind, wird es möglich,
flexible Folienelemente bei nahezu gleichbleibender Spannung bearbeiten
zu können.
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Unter
dem Begriff „Folienelemente" sind hierbei jegliche
Art von im wesentlichen flächigen Körpern zu
verstehen, deren Längen-
und Breitenabmessungen in der Spannebene erheblich größer ist, als
ihre Dicke bzw. Höhe
in einer dazu senkrechten Richtung. Insbesondere zählen hierzu
Folien aus Kunst- und Naturstoffen, Gewebe, Bleche, Faserkörper, Zellstoffblätter, wie
z.B. Papier, usw. Auch mehrlagige, insbesondere beschichtete Folien
zählen hierzu.
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Insbesondere
können
thermische, hygroskopische und hydromechanische Beanspruchungen der
Folienelemente und die dabei in der Spannebene entstehenden flächigen Dimensionsänderungen
soweit ausgeglichen werden, dass die Abweichungen (Durchbiegung
des Folienelementes) gegenüber
der Spannebene unterhalb eines vorbestimmten Toleranzwertes bleiben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist insbesondere geeignet, für
flexible Folien im Folienzuschnitt, die in einem technologischen
Prozess unter verschiedenen Beanspruchungen gehandhabt werden, wie
dies beispielsweise bei der Fertigung von mit Leiterbahnen versehenen
Folien der Fall ist.
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Da
solche Folien normalerweise in aufgerolltem Rohzustand angeliefert
werden, erfolgt nach dem Zuschnitt der Folien auf Bearbeitungsgröße ein selbständiges Aufrollen
bzw. Verwölben
derselben unter Einwirkung innerer Eigenspannungen (Memoryeffekt
aus Herstellung und Transport).
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Durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung und
das erfindungsgemäße Verfahren
zum Spannen eines solchen Folienelementes wird es daher möglich, die
Folie quasi zu einem ebenen, starren Körper werden zu lassen. Aufgrund
der als federnd vorgespannte Gelenke ausgebildeten flexiblen Abschnitte des
Spannrahmens ist es möglich,
die Eigenspannungen der flexiblen Folie, bedingt durch die Herstellung,
Zuschnitt, Transport, Lagerung und insbesondere Laminierung und
Weiterbearbeitung der Folienschichten, individuell für einzelne
Bearbeitungsphasen der Folie und jeweils sofort zu berücksichtigen und
auszugleichen.
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Der
Spannrahmen der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung
weist Rahmenelemente auf, von denen einige als Strebeelemente, insbesondere
als starre Strebeelemente, ausgebildet sind. Weiterhin sind einige
der Rahmenelemente als Trägerelemente ausgebildet,
an denen die Halteeinrichtungen zur Befestigung des zu spannenden
Folienelementes vorgesehen sind.
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Hierbei
sind die Halteeinrichtungen vorzugsweise für eine im wesentlichen punktförmige Kraftübertragung
zwischen dem Folienelement und dem Spannrahmen ausgebildet. Dabei
können
zwischen zwei benachbarten Trägerelementen
mehrere, insbesondere aber zwei Strebeelemente angeordnet sein.
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Falls
die Strebeelemente nicht starr sondern flexibel ausgebildet sind,
ist auch das Vorsehen lediglich eines Strebeelementes zwischen zwei
benachbarten Trägerelementen
denkbar. Der Spannrahmen ist im wesentlichen eben und/oder torsionssteif
ausgebildet. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist der Spannrahmen integral bzw. einstückig ausgebildet, wobei sämtliche
Strebeelemente, Trägerelemente
und Gelenkelemente aus einem Stück gefertigt
sein können.
Die Kraftreaktionen in den Gelenkebenen bilden ein in sich geschlossenes
System mit den Folienspannkräften.
Hierbei ist insbesondere eine Herstellung mittels eines Spritzgießverfahrens oder
eines Zuschneideverfahrens, z.B. mittels Laser oder Hochdruck-Strahlschneiden,
denkbar.
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Erfindungsgemäß weist
der Spannrahmen senkrecht zur Spannebene nur eine geringe Höhe von wenigen
Millimetern auf. Insbesondere beträgt diese Höhe weniger als 5 mm, vorzugsweise
sogar weniger als 4 mm oder als 3 mm.
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Es
ist ferner bevorzugt, dass alle Gelenkelemente um zueinander parallele
und zu der Spannebene senkrechte Gelenkachsen drehbeweglich, aber torsionssteif,
sind.
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Die
geringe Höhe
der Spannvorrichtung ermöglicht
ein einfaches Stapeln mehrerer Spannvorrichtungen aufeinander. Auch
erlaubt es die geringe Höhe
der Spannvorrichtung, in die mittige Freistellung im Rahmen flexible
Folien beidseitig bearbeiten zu können, wobei die Spannvorrichtung
sich mit der Folie, außer
im Bereich der Halteeinrichtungen, nicht überschneidet.
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Die
geringe Höhe
der Spannvorrichtung erlaubt es, die Folie während eines Bearbeitungsvorganges
auf einer ebenen Unterlage aufzulegen, um erste Bearbeitungsschritte
vorzunehmen und anschließend
die Folie auf ihrer gegenüberliegenden Oberseite
auf der flachen Ebene aufzulegen, ohne sie hierbei aus dem Spannrahmen
entfernen zu müssen,
zur Vornahme zweiter Bearbeitungsschritte.
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Die
Spannvorrichtung kann in unterschiedlichen, auf die zu bearbeitenden
Foliengrößen abgestimmten
Ausführungen
und Abmessungen vorgesehen sein. Denkbar ist beispielsweise eine
Spannvorrichtung zur Bearbeitung von Folien der Formate 650 × 530 mm
mit einer Stärke
von 80 bis 200 μm.
Andere Ausführungen
und Abmessungen sind denkbar.
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Vorzugsweise
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
derart ausgebildet, dass die Halteeinrichtungen um so weiter voneinander
beabstandet sind, je weniger der Spannrahmen angespannt ist. Darüber hinaus
ist ein zwischen zwei Strebeelementen angeordnetes Gelenkelement
um so weiter von einem Zentrum des Spannrahmens beabstandet, je
mehr der Spannrahmen angespannt ist.
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Ebenso
ist ein zwischen zwei Strebeelementen angeordnetes Gelenkelement
um so weiter von einer gedachten Verbindungslinie zweier hierzu
benachbarter Halteeinrichtungen entfernt, je mehr der Spannrahmen
angespannt ist.
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Auf
diese Weise ergibt sich eine Ausbildung des Spannrahmens, bei der
dieser um das Folienelement herum angeordnet ist, wobei sich die
einzelnen Strebeelemente, die zwischen den Trägerelementen angeordnet sind,
auf die Ränder
der Folie zu und von diesen wegbewegen können.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung
weist der Spannrahmen vier Trägerelemente
auf, zwischen denen jeweils ein Paar von (zwei) Strebeelementen
vorgesehen ist. Hierdurch können
viereckige Folien jeweils an ihren Ecken in den Spannrahmen eingespannt
werden. Die Einleitung der Spannkraft auf das zu spannende Folienelement
erfolgt im wesentlichen punktförmig.
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Es
ist weiterhin bevorzugt, dass der Spannrahmen durch die Gelenkelemente
jeweils einander in der Spannebene gegenüberliegender Paare von Strebeelementen
in entgegengesetzte Richtungen, insbesondere auf sein Zentrum hin,
vorgespannt ist. Dadurch werden gleichzeitig die Trägerelemente
in Richtung von dem Zentrum weg gedrückt, wodurch das Folienelement
gespannt wird.
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Gemäß einem
Verfahrensaspekt wird die zuvor genannte Aufgabe erfindungsgemäß durch
eine im wesentlichen punktförmige
Einleitung einer Spannkraft in das Folienelement in einer Spannebene
in einer, zwei oder mehreren Richtungen gelöst, wobei die Spannkraft über einen
definierten Spannweg im wesentlichen konstant gehalten wird.
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Dabei übersteigt
die Spannkraft den Betrag von Eigenspannungen des Folienelementes über den
definierten Spannweg soweit, dass Abweichungen einer Oberfläche des
Folienelementes senkrecht zu der Spannebene einen Sollwert unterschreiten.
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Vorzugsweise
erfolgt die Einleitung der Spannkraft in das Folienelement an mehreren
Stellen entlang eines Randbereiches des Folienelementes kraft-,
form- oder stoffflüssig.
Insbesondere erfolgt die Einleitung der Spannkraft in das Folienelement ausschließlich an
Eckbereichen des Folienelementes. Hierfür können die Aufnahmebereiche des
Folienelementes für
die Einleitung der Spannkraft vor dem Spannen des Folienelementes
mit einer Verstärkung
versehen werden.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. In
diesen zeigen:
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1 eine
Gesamtansicht einer Ausführungsform
der Vorrichtung in einem entspannten und einem gespannten Zustand,
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2 ein
zu spannendes Folienelement in seiner minimalen und maximalen Abmessung,
und
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3 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens unter
Verwendung der vorliegenden Vorrichtung.
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In 1 ist
die Vorrichtung zum Spannen eines flexiblen, längen- und breitenveränderlichen
Folienelementes in einer Spannebene E generell mit dem Bezugszeichen 1 versehen.
Das Folienelement ist mit 2 bezeichnet und in der Spannebene
E liegend schraffiert dargestellt.
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Weiterhin
ist ein Spannrahmen der Vorrichtung in einer Montagestellung mit
durchgezogenen Linien in 1 gezeigt und mit dem Bezugszeichen 3 versehen.
Derselbe Spannrahmen 3 ist weiterhin mit strichpunktierten
Linien ohne das Folienelement 2 gezeigt, und mit dem Bezugszeichen 3a versehen. In
dieser, im folgenden als Fertigungsstellung bezeichneten Stellung
liegen Halteeinrichtungen 5, die das Folienelement 2 an
seinen Eckenbereichen 9 halten, weiter voneinander entfernt
als in der mit dem Bezugszeichen 3 bezeichneten Aufnahmestellung des
Spannrahmens.
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Wie
in 2 gezeigt, ist der Spannrahmen insbesondere für Folienelemente 2 gedacht,
die während
eines technologischen Durchlaufes, beispielsweise einer Beschichtung
oder fototechnischen Bearbeitung, wechselweise unterschiedlich großen Dehnungs-
und Schrumpfungsänderungen
unterliegt. Hierbei ist das Folienelement 2 in 2 in
einer Minimalgröße 2b und
einer Maximalgröße 2a (lmax × bmax) dargestellt. Die Längen- und Breitenänderung Δl und Δb jeweils
einer Folienhälfte
sind in 2 bezeichnet. Ebenso sind die
Minimalabmessungen lmin und bmin,
wie auch die Maximalabmessungen lmax und bmax, in 2 gezeigt.
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Diese Änderungen
der Abmessungen des Folienelementes in der Spannebene E werden z.
B. durch Temperaturänderung,
Einwirkung von Spann- bzw. Bearbeitungskräften und Feuchtigkeitsänderungen
verursacht.
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Weiterhin
ist in 2 ein technologischer Rand des Folienelementes 2b in
seiner Ausgangsgröße (l0 × b0) dargestellt, der das Folienelement umlaufend
umgibt und für
technologische Prozessmarkenkennzeichnung und der Befestigung dient.
Dieser ist mit dem Bezugszeichen 8 versehen.
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Am
Folienelement 2a sind ferner die Eckbereiche 9 dargestellt,
die mit Versteifungen 10 zur Aufnahme der Spannkräfte F versehen
sind, die auf das Folienelement 2 über die Halteeinrichtungen 5 des Spannrahmens 3a übertragen
werden.
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Im
folgenden wird anhand von 1 die Vorrichtung
zum Spannen flexibler Folien näher
erläutert.
In dieser Ausführungsform
besteht sie aus einem nachgiebigen, sich selbst einstellenden Rahmen 3 mit
vier Spannpunkten, die als Halteeinrichtungen für die flexible Folie kraft-,
form oder stoffschlüssig
vorgesehen sein können.
Beispielsweise können
diese Halteeinrichtungen als stiftartige Vorsprünge in einem vertieften Abschnitt
des Spannrahmens senkrecht zur Spannebene E ausgebildet sein.
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Die
Kraftwegkennlinie des Spannrahmens ist, insbesondere über Materialauswahl
und die Längen-
bzw. Breitenabmessung des Spannrahmens, in Radialrichtung auf das
Zuschnittsformat, die Längen- und
Breitenänderungen
der zu spannenden Folienelemente und die erforderliche Formstabilität (Steifigkeit
des Spannrahmens) abgestimmt.
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Mit
dem Spannrahmen ist es möglich,
eine punktförmige
Krafteinleitung am Rand des Folienelementes zur dessen flächiger Spannung
in einer, zwei oder mehreren Richtungen zu erzeugen. Hierbei kann
die Spannkraft über
einen definierten Spannweg (mindestens maximale Größenänderung
der Folie in Kraftrichtung) konstant gehalten werden. Der erforderliche
Spannweg wird über
eine Nachgiebigkeit des Spannrahmens realisiert.
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Der
Spannrahmen 3 weist in dieser in 1 gezeigten
Ausführungsform
insgesamt 12 Rahmenelemente auf, die untereinander über Festkörpergelenke
verbunden sind, so dass der Spannrahmen senkrecht zur Einspannebene
E verwindungs- und torsionssteif ist. In der Spannebene E ermöglichen die
Festkörpergelenke
als federnd vorgespannte Gelenke eine gewisse Beweglichkeit der
einzelnen Rahmenelemente zueinander.
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Im
Bereich der Ecken des Spannrahmens 3 ist jeweils ein Trägerelement 6 des
Spannrahmens 3 angeordnet, das eine Halteeinrichtung 5 zur
Befestigung und zur Kraftübertragung
an das Folienelement aufweist. Zwischen diesen Trägerelementen 6 sind Strebeelemente 4 paarweise
angeordnet.
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Die
Festkörpergelenke 7 sind
in dieser Ausführungsform
als Ausnehmungen bzw. Einschnitte in den Spannrahmen 3 ausgeführt, die
den Spannrahmen in der Spannebene E, wie in der Draufsicht der 1 dargestellt,
teilweise durchschneiden, so dass eine Schwächung des Spannrahmens als
Festkörpergelenk 7 dient
und jeweils zwei benachbarte Rahmenelemente 4, 6 voneinander
trennt und diese dadurch definiert.
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Hierbei
sind die Einschnitte bzw. Ausnehmungen, Schwächungen oder Verjüngungen
oder dergleichen, die die Festkörpergelenke
bilden, so angeordnet, dass der Spannrahmen bei Festkörpergelenken,
die zwischen einem Paar von Strebeelementen 4 angeordnet
sind, nach außen
hin geschlossen und zu seiner Mitte hin geöffnet ist.
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Im
Gegensatz hierzu sind die Festkörperelemente,
die die Strebeelemente 4 von den Trägerelementen 6 trennen
bzw. diese mit jenen verbinden, so ausgebildet, dass die Kontur
des ringförmigen Spannrahmens
an ihrer Innenseite geschlossen und an ihrer Außenseite geöffnet ist.
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Hierdurch
ergibt sich eine Struktur des ringförmigen Spannrahmens 3,
bei der sich die Gelenkpunkte zwischen benachbarten Strebeelementen 4 vom
Zentrum Z des Spannrahmens nach außen bewegen, wenn sich die
Halteeinrichtungen 5 bzw. die Trägerelemente 6 dem
Zentrum Z des Spannrahmens 3 annähern und umgekehrt.
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3 zeigt
hierbei schematisch den Spannrahmen 3 sowie das Verfahren
zum Spannen des Folienelements 2.
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Der
in sich geschlossene Spannrahmen 3 bildet eine kinematische
Kette 11, wobei die Festkörpergelenke 7 axialsymmetrisch
angeordnet sind. Jedes Trägerelement 6 mit
einer Halteeinrichtung 5 für das Folienelement 2 ist
beidseitig von Festkörpergelenken 7 und
sich daran anschließenden
Strebeelementen 4 umgeben. Die Strebeelemente 4 sind
wiederum durch (entgegengesetzt orientierte) Festkörpergelenke 7 (FKG)
miteinander verbunden.
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Wie
in 3 dargestellt, ist dieser Grundaufbau zum unabhängigen Ausgleich
der Folienlängenänderungen
in zwei Richtungen (X und Y) unter nahezu konstanter Spannkraft
F geeignet.
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Das
flexible Folienelement 2 wird mit seinen Ecken 9 an
steifen Trägerelementen 6 der
geschlossenen kinematischen Kette 11 befestigt. Im Aufnahmezustand,
wie schematisch in 3 gezeigt, erzeugt die kinematische
Kette 11 des Spannrahmens 3 durch die Vorspannkräfte Fv einen inneren Spannungszustand der Vorrichtung.
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Nach
Herstellen einer festen Verbindung zwischen dem flexiblen Folienelement 2 mit
den Halteeinrichtungen 5 wird der Spannrahmen 3 von
den Vorspannkräften
Fv befreit, woraufhin die Spannvorrichtung
mit den Folienspannkräften
F das flexible Folienelement 2 plan spannt, wie dies anhand
der strichpunktierten Linie in 1 für den Spannrahmen 3 in
einer Stellung 3a gezeigt ist. Die Montagelage des Spannrahmens 3 verändert sich
solange, bis ein innerer Gleichgewichtszustand zwischen Spannrahmen
und Folienelement eingetreten ist.
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Prozessbedingte
Längenänderungen
des flexiblen Folienelementes werden durch den inneren Spannungszustand
des Spannrahmens ausgeglichen. Dieser Spannungszustand ergibt sich
dadurch, dass die Festkörpergelenke
eine federnde Vorspannung erzeugen, durch die sich der Spannrahmen
in seinen Fertigungszustand im wesentlichen durch die Kräftereaktionen
in den Gelenkelementen zurückziehen
möchte
(Memoryeffekt). Eine solche Fertigungslage ist in 1 strichpunktiert
dargestellt und mit dem Bezugszeichen a der jeweiligen Elemente
des Spannrahmens tituliert.
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Der
Spannrahmen ist vorzugsweise einstückig und aus einem flexiblen
Kunststoffmaterial hergestellt, jedoch ist auch jedes andere geeignete
Material hierfür
denkbar. Auch ist eine Fertigung aus einzelnen Komponenten desselben
oder unterschiedlicher Materialien denkbar.