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Diese
Erfindung betrifft die Herstellung von Papiermaschinenstoffen, wie
Formungsstoffen, Pressfilzen, Trocknerstoffen, Durchströmtrocknerstoffen
("throughair dryer
fabrics" – TAD-Stoffen)
und anderen industriellen Stoffen, wie hydraulischen Verschlingungssieben
und Übertragungsstoffen
zur Verwendung in einer Papiermaschine. Die Stoffe der Erfindung
finden auch als Übertragungs-/Förderstoffe in
anderen Maschinen als Papiermaschinen Anwendung und können zum
Beispiel als Förderstoffe
oder als Siebe für
eine Lateximprägnierung
herkömmlicher
luftabgelegter Materialien, als Stütz- oder Formungssiebe, die beim Schmelzblasen
oder in der Herstellung eines spinngebundenen Vliesstoffs verwendet
werden, benutzt werden.
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Papier
wird üblicherweise
hergestellt, indem ein Papierfaserstoff, der für gewöhnlich aus einer Ausgangsaufschlämmung von
Zellulosefasern besteht, auf einem Formungsstoff oder zwischen zwei Formungsstoffen
in einem Formungsabschnitt befördert
wird, wobei die naszierende Schicht dann durch einen Pressabschnitt
und schließlich
durch einen Trocknungsabschnitt einer Papiermaschine geleitet wird.
Im Falle von standardmäßigen Tissue-Papiermaschinen
wird die Papierbahn von dem Pressstoff auf einen Yankee-Trocknungszylinder übertragen und
dann gekreppt, oder aber die Bahn wird auf moderneren Maschinen
mit Hilfe eines Monofilamentgewebegitter-Trocknerstoffes vom Formungsstoff
zu einem Durchströmtrockner
befördert,
wonach ein Yankee-Zylinder folgt.
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Eine
Papiermaschinen-Bespannung wird im Wesentlichen dazu verwendet,
die Papierbahn durch diese verschiedenen Stufen der Papierherstellungsmaschine
zu befördern
und die kontrollierte Entfernung von Wasser aus der Bahn zu erleichtern.
Im Formungsabschnitt wird der Faserstoff nass auf einen sich bewegenden
Formungsdraht abgelegt und Wasser wird mit Hilfe von Saugkästen und
Folien abgeleitet. Dann wird die Papierbahn auf einen Pressstoff übertragen,
der sie durch den Pressabschnitt befördert, wo sie für gewöhnlich durch
eine Reihe von Druckwalzenspalten läuft, die durch drehende, zylindrische
Druckwalzen gebildet werden. Wasser wird aus der Papierbahn und
in den Pressstoff gequetscht, während
die Bahn und der Stoff gemeinsam durch den Walzenspalt laufen. In
der Endstufe wird die Papierbahn entweder auf einen Yankee-Trockner übertragen,
wenn es sich um eine Tissue-Papierherstellung handelt, oder auf
einen Satz von Trocknungszylindern, auf welchen mit Unterstützung der
Klemmwirkung des Trocknerstoffes der Großteil des verbleibenden Wassers
verdampft wird.
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Papiermaschinenstoffe
bestehen traditionell aus einem Gewebe. Wenn Kett- und Schussgarne verwoben
werden, bildet sich ein sogenannter "Höcker" an ihrem Kreuzungspunkt.
Diese Höcker
neigen dazu, die Papierschicht, die auf dem Stoff gebildet wird,
zu prägen.
Dieses Problem ist besonders am nassen Ende der Papiermaschine zu
erkennen, wo die Bahn noch sehr plastisch ist. In den letzten Jahren
wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um Papiermaschinenvliesstoffe
herzustellen, um das Problem, das mit der Höckerprägung verbunden ist, zu lösen, insbesondere
für Anwendungen
im Press- und Trocknerabschnitt. Für viele von diesen war eine
kommerzielle Herstellung nicht möglich.
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GB 1,053,954 beschreibt
einen Vliespapierstoff, der zwei Lagen aus parallelen polymeren
Filamenten umfasst, wobei die Lagen derart aneinander befestigt
sind, dass die Filamente einer Lage in einem Winkel in Bezug auf
die Filamente in einer anderen Lage angeordnet sind. Eine solche
Anordnung ist nicht dauerhaft und folglich ist dieser Stoff kommerziell
nicht brauchbar.
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US 3,617,442 beschreibt
einen Formungsstoff, der eine Bahn aus synthetischem, offenzelligem,
flexiblem Schaum, wie Polyurethan, umfasst. Dieser wird durch eine
Reihe von Polyesterkabeln, ein grobes Drahtgitter oder eine dünne, flexible
Metall- oder Kunststoffschicht verstärkt. Eine solche Anordnung
würde bei
einer etwaigen Kommerzialisierung eine schlechte Abriebbeständigkeit
aufweisen.
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GB 2,051,154 betrifft ein
sogenanntes "Verbindungsband" in dem ein Basisstoff
aus einer Reihe ineinander übergreifender
Spiralen gebildet wird, die durch Steckdrähte miteinander verbunden sind.
Verbindungsbänder
sind wegen der Einschränkungen hinsichtlich
Dicke und Material nur für
bestimmte Anwendungen geeignet.
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US 4,541,895 beschreibt
einen Papierstoff, der aus mehreren Vliesschichten besteht, die
zur Bildung eines Stoffes oder Bandes aneinander laminiert sind.
Die Vliesschichten werden durch Laserbohrung perforiert. Solche
Schichten bestehen aus einem nicht orientierten Polymermaterial,
und wenn sie in der Feinheit erzeugt werden, die für Papierherstellungsanwendungen
erforderlich ist, würde
es ihnen an einer ausreichenden dimensionalen Stabilität mangeln,
um als Endlosbänder
auf Papiermaschinen verwendet werden zu können.
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Als
Gegenstand der Erfindung von
GB 2,235,705 wird
ein Basisstoff für
Pressfilze beschrieben. Hier wird eine Anordnung von Hülle-Kern-Garnen,
von welchen der Kern einen höheren
Schmelzpunkt aufweist als die Hülle,
in einer beabstandeten, parallelen Anordnung zu Umfangsnuten einer
Druckrolle geleitet, die in einem spaltbildenden Verhältnis zu
einer Presswalze angeordnet ist. Das Material der Hülle wird
dann geschmolzen, während
sich die Garne in und durch den Walzenspalt bewegen, und überschüssiges,
geschmolzenes Hüllenmaterial
wird in seitliche und leere Umfangsnuten in der Rolle gepresst,
um Strukturelemente zwischen benachbarten Garnen zu bilden. Durch
Verbindung gleicher Streifen kann ein breites Band gebildet werden.
Anschließend
wird eine Fasermatte an den Basisstoff genadelt, um einen Pressfilz
zu bilden. Perforierungen durch den gitterförmigen Basisstoff verlaufen
gerade durch den Stoff. Dies ist für eine Adaptierung an eine Papierschichtbildung
unerwünscht,
wo eine kontrollierte Entwässerung
erforderlich ist, insbesondere während
der heiklen Bahnbildungsphase.
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GB 2,241,915 betrifft ein
Verfahren zur Herstellung eines Papierstoffes, in dem eine Lage
aus photopolymerem Harz auf ein sich bewegendes Band aufgebracht
wird. Eine sich bewegende, selektiv transparente Maske ist über dem
Harz positioniert und das Harz wird durch die Maske bestrahlt, um
wenigstens eine teilweise Härtung
der Teile der Harzlage zu bewirken, die mit den transparenten Bereichen der
Maske ausgerichtet sind. Nach der Bestrahlung werden ungehärtete Bereiche
des Harzes durch Druckflüssigkeitsströme entfernt,
und eine Endhärtung
des Harzes wird entweder thermisch oder mittels aktinischer Bestrahlung
erreicht. Die so gebildete löchrige
Schicht kann mit Garnen oder Fasern verstärkt werden. Auch hier verlaufen
Löcher
gerade durch den Stoff. Dies ist für die Papierbahnbildung unerwünscht und
ermöglicht
zusätzlich
das Auftreten einer schädlichen "Rückextraktion", die durch hydraulische
Impulse entsteht, die von der Maschinenseite durch den Stoff gehen.
Der direkte Durchgang dieser Impulse stört das fragile Zellulosefasernetz.
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GB 2,283,991 betrifft eine
Papiermaschinen-Bespannung, die aus teilweise geschmolzenen Partikeln
hergestellt wird. Eine Verstärkungsstruktur ist
in der Struktur eingebettet. Diese Papiermaschinen-Bespannung ist
für Pressanwendung
und möglicherweise
spezielle Formungsanwendungen geeignet.
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Die
Prozesse, die in dem Herstellungsverfahren von Papiermaschinenstoffen
verwendet werden, beruhen auf einer Stereolithographie, wobei ein dreidimensionales
Objekt durch die Wirkung eines Lasers auf ein durch Strahlung härtbares
Polymer erzeugt wird, wobei das Objekt schichtenförmig auf
einem Träger
aufgebaut wird, der langsam nach jeder Laserabtastung in ein Bad
des Polymers gesenkt wird, während
aufeinanderfolgende Schichten an der Oberfläche des Polymers aufgebaut
werden. Der Laser wird von einem CAD-Programm gesteuert, das auf
einer STL-Datei gespeichert ist und das die Bewegungen des Lasers
lenkt, um die richtige Form für jede
Schicht zu erzeugen. Ein selektives Laser-Sintern ist ein eng verwandter
Prozess, der auch als stereolithographischer Prozess kategorisiert
werden kann, wobei ein pulverförmiger
Thermokunststoff allmählich
in einem Aufbauzylinder aufgebaut wird, wobei jede Schicht selektiv
durch thermoplastische Fusion mit Hilfe eines IR-Lasers gesintert
wird, um das dreidimensionale Objekt aufzubauen. US Patent 4,575,330
beschreibt die wesentlichen Punkte dieses Prozesses.
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Der
Prozess zum Modellieren eines dreidimensionalen Objekts durch selektives
Laser-Sintern, das heißt,
die Verwendung von Laserenergie zum Sintern ausgewählter Teile
einer Reihe von Schichten aus sinterbarem, teilchenförmigem Material,
wie Thermokunststoff, ist zum Beispiel im einleitenden Teil von
WO 92/08567 und WO 93/08928 beschrieben.
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Keiner
der Prozesse wurde bei ausgedehnten planaren Produkten angewendet
und jeder scheint bisher nur für
eine Prototypierung und Bereitstellung von Gieß- und Formvorlagen Verwendung gefunden
zu haben. Die vorliegende Erfindung betrifft die notwendige Anpassung
dieser Prozesse an die Herstellung von Artikeln mit ausgedehnter
Oberfläche
aber relativ geringer Dicke, wie Papiermaschinenstoffe.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines
Papiermaschinenvliesstoffes bereitzustellen, das Techniken dieser
Art an die Herstellung planarer Artikel anpasst.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren zur Herstellung eines Papiermaschinenstoffs bereitgestellt,
das das Bereitstellen einer ausgedehnten Arbeitsfläche; das
Bedecken der Arbeitsfläche
mit aufeinanderfolgenden Lagen des sich ergebenden Materials; das
der Reihe nach Behandeln jeder folgenden Lage mit einer Energiequelle
in Übereinstimmung
mit vorgegebenen Anweisungen vor der Zugabe der nächstfolgenden
Lage umfasst, um eine dreidimensionale Stoffstruktur aufzubauen.
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Die
Behandlung jeder Lage wird vorzugsweise selektiv ausgeführt, das
heißt,
einige Teile der Schicht werden behandelt, während andere unbehandelt bleiben.
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Die
Energiequelle kann eine oder mehrere Vorrichtungen, wie zum Beispiel
Laser, umfassen, um konzentrierte, zum Beispiel UV- oder IR-, Strahlen
oder Strahlungsbündel
zu erzeugen.
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Das
Kunststoffmaterial kann ein UV-härtbares
Harz umfassen, wobei in diesem Fall die Energiequelle einen oder
mehrere UV-Laser umfassen kann. Solche Harze werden für gewöhnlich aus
einem flüssigen
Zustand gehärtet
und es könnten
passende Eingrenzungsvorrichtungen erforderlich sein, zum Beispiel
könnte
die Arbeitsfläche
in einen Trog oder ein Bad eingelegt werden, der/das das flüssige Harz enthält, oder
sie könnte
mit Eingrenzungszäunen versehen
sein. Zur Vermeidung oder Verhinderung einer Oxidation kann das
von den Zäunen
umschlossene Volumen eine inerte Atmosphäre, wie CO2,
enthalten. Die aufeinanderfolgenden Lagen können durch Anheben der Abgabevorrichtungen
und von Teilen der Eingrenzungsvorrichtung nach jeder Behandlungsstufe
um eine Höhe,
die der erforderlichen Schichtdicke entspricht, gebildet werden.
Die Verwendung einer Streichvorrichtung könnte notwendig sein, um Abweichungen
der Arbeitsfläche
von einer wahren Ebene auszugleichen, die von derselben Größenordnung
wie die Lagendicke sein können. Wenn
das Harz in jeder Lage als Fluidfilm aufgetragen wird, zusammengehalten
durch die Oberflächenspannung,
wären komplexe
Eingrenzungsmittel, wie Dämme,
oder eine präzise
Nivellierung nicht erforderlich. Das UV-vernetzbare Harz könnte ein
acryliertes Epoxidprodukt umfassen.
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Als
Alternative kann das Kunststoffmaterial ein teilchenförmiges thermoplastisches
Material, wie PPS, PEEK, Polyolefin oder Polyamid, umfassen, das
durch Erwärmung
geschmolzen werden kann. In diesem Fall kann die Energiequelle einen
oder mehrere IR-Laser umfassen. Das thermoplastische Material wird
vorzugsweise in einer trockenen, fein verteilten Form bereitgestellt,
wie als Mikrokügelchen
oder Submillimeter-Partikel, wie pulvrige Pressmasse. Das Eingrenzen
des Materials und eine absolute Ebenheit der Arbeitsfläche sind
nicht so sehr ein Problem wie bei Verwendung flüssiger Harze, aber zur Gewährleistung,
dass jede Schicht gleichmäßig verteilt
ist, kann die Bereitstellung einer speziellen Streichvorrichtung
erforderlich sein, die imstande ist, eine gleichförmige Pulverschicht über eine
weite Fläche
von mehreren Quadratmetern zu garantieren.
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Die
Vorrichtung ist vorzugsweise so angeordnet, dass eine relative vertikale
Bewegung zwischen dem Laser und der Arbeitsfläche, im Falle einer Behandlungsstufe
für ein
thermoplastisches Material, über
eine Strecke erfolgt, die der erforderlichen Lagendicke gleich ist, um
die nächste
Lage aus teilchenförmigem
oder pulvrigem, thermoplastischem Material aufzunehmen. Für gewöhnlich kann
jede Lage eine Dicke von etwa 0,1 mm aufweisen und ein fertiger
Stoff eine Gesamttiefe bis zu 2 mm.
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Die
Behandlung der Kunststoffmateriallage kann eine Vernetzung eines
flüssigen,
UV-härtbaren Harzes
in den Teilen hervorrufen, die für
eine Bestrahlung mit UV-Laser – eingestellt
z.B. auf 365 nm – ausgewählt wurden,
beziehungsweise ein Schmelzen oder Sintern eines thermoplastischen
Materials in den Teilen, die für
eine Bestrahlung mit IR-Laser – z.B.
CO2-Laser, die bei 50 bis 200 W arbeiten – ausgewählt wurden.
Ungehärtetes
oder ungeschmolzenes Material kann nach Fertigstellung der lagenförmigen Struktur
durch Drainage oder Ausspülen
entfernt werden, oder im Falle feiner Partikel mit Gebläsewind oder
einer Saugvorrichtung ausgeblasen oder abgezogen werden. Die Laserstrahlen
können
konzentriert sein, um eine Punktauflösung von zum Beispiel 0,01
bis 0,1 mm zu erzeugen.
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Die
Entfernung des unbehandelten Kunststoffmaterials lässt den
gewünschten
Artikel auf der Arbeitsfläche
zurück.
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Die
ausgedehnte Arbeitsfläche
muss groß genug
sein, um eine Bildung von Papiermaschinenstoffen voller Größe zu ermöglichen,
deren Maße
bis zu 11 m mal 30 m betragen können.
Die Arbeitsfläche kann
ein Endlosband umfassen, das vorzugsweise mit einer nicht klebenden
PTFE-Beschichtung beschichtet ist und eine Breite hat, die gleich
groß wie oder
etwas größer als
der herzustellende Papiermaschinenstoff ist. Der Stoff kann in Zonen
aufgebaut werden, die sich über
die Breite des Bandes erstrecken, wobei jede Zone durch den Abscheidungs-
und Behandlungsprozess mit der vorangehenden Zone verbunden ist,
wobei der lagenweise Aufbau in jeder Zone der Reihe nach wiederholt
wird, um einen Stoff gewünschter
Länge herzustellen.
Der Stoff kann von dem Endlosband abgezogen und für ein späteres Säumen aufgewickelt
werden, oder das Säumungsproblem
kann vermieden werden, indem der Stoff als Endlosband mit gleichen
Dimensionen wie das Arbeitsflächenband
hergestellt wird und von dem Arbeitsflächenband entfernt wird.
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Die
Energiequelle kann einen einzigen UV- oder IR-Laser oder eine Gruppe
solcher Laser umfassen, die entweder verbunden sind, so dass sie miteinander
arbeiten, oder unabhängig
betrieben und gesteuert werden.
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Die
Laser, egal ob einer, mehrere, verbunden oder unabhängig, werden
vorzugsweise in Bezug auf ihren Betrieb (feuern/nicht feuern) und
ihre Bewegung (links/rechts und vorwärts/rückwärts und hoch/tief) von einer
Steuervorrichtung gesteuert, die vorzugsweise einen Computer umfasst,
der ein CAD-System enthält
oder an dieses angeschlossen ist, in dem eine Darstellung des Stoffabschnittes
vorprogrammiert ist, die durch das Verfahren gemäß der Erfindung reproduziert
wird.
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Während des
Aufbringens der Lagen auf die Arbeitsfläche können Verstärkungsgarne entweder in oder
quer zur Bandrichtung abgelegt werden.
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Mit
Hilfe des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung ist es vorzugsweise
möglich,
Papiermaschinenvliesstoffe nach fast jedem traditionellen oder innovativen
Design herzustellen, oder Vliesbahnen zur Verwendung als Komponenten
in Verbundstoffen herzustellen, zum Beispiel als Grundschichten
in Pressfilzen.
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Die
Erfindung stellt von einem anderen Aspekt aus eine Vorrichtung zur
Verwendung in der Herstellung von Papiermaschinenstoffen bereit,
die eine ausgedehnte Arbeitsfläche,
Mittel zum Bedecken der Arbeitsfläche mit aufeinanderfolgenden
Lagen aus Kunststoffmaterial, eine Energiequelle zum der Reihe nach
Behandeln jeder folgenden Schicht, und Mittel zum Steuern der Energiequelle
in Übereinstimmung mit
vorgegebenen Anweisungen umfasst.
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Die
ausgedehnte Arbeitsfläche
kann ein Endlosband umfassen und das Mittel zum Bedecken der Oberfläche mit
aufeinanderfolgenden Schichten aus Kunststoffmaterial kann Mittel
zum Zuführen
und Verteilen des Materials in flüssiger oder teilchenförmiger Form
auf der Oberfläche
umfassen.
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Die
Energiequelle umfasst vorzugsweise einen oder mehrere UV- oder IR-Laser,
deren Projektoren zur Bewegung auf allen drei Achsen relativ zu
der Arbeitsfläche
montiert sind. Ein UV-Laser wird für gewöhnlich in Verbindung mit UV-härtbaren
Harzen in flüssiger
Form verwendet, und ein IR-CO2-Laser in Verbindung
mit thermoplastischem Material, das in teilchenförmiger oder pulvriger Form
aufgebracht wird.
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Das
Steuerungsmittel umfasst vorzugsweise Mittel zum Bewegen der Laserprojektoren
auf allen drei Achsen, das heißt,
den beiden horizontalen Achsen und zu und weg von der Arbeitsfläche, die
von einem Computer gesteuert werden, der mit einem CAD-Programm
programmiert ist, das Anweisungen für die erforderlichen Bewegungen
des Laserkopfs enthält
und eine Sequenz aus Entladen und Nicht-Entladen des Lasers.
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Einige
Beispiele des Verfahrens zur Herstellung von Papiermaschinenstoffen
gemäß der vorliegenden
Erfindung werden nun als Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen beschrieben, von welchen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Ausführung von
Verfahren zur Herstellung eines Papiermaschinenstoffs gemäß der Erfindung
ist;
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2 eine
vergrößerte fragmentarische
Ansicht eines Teils der Vorrichtung von 1 ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht der Vorrichtung von 1 ist;
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4 eine
vergrößerte fragmentarische
Ansicht ist, die einen Schritt in der Herstellung eines Stoffes
durch ein erstes Verfahren gemäß der Erfindung
zeigt;
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5 eine
Ansicht ähnlich 4 ist,
die einen Schritt in der Herstellung eines Stoffes durch ein zweites
Verfahren gemäß der Erfindung
zeigt;
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6 eine
Schnittansicht eines membranartigen Stoffes mit konisch zulaufenden
Perforierungen ist, der durch ein Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt
wird;
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7 eine
Schnittansicht eines zweiten perforierten, membranartigen Stoffes
ist, der Verstärkungsgarne
enthält,
die in der Membran eingebettet sind, und der auch durch ein Verfahren
gemäß der Erfindung
hergestellt wird;
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8 eine
fragmentarische Ansicht einer Verbindungszone in einem Säumungsverfahren
für den
Stoff ist; und
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9 eine
Schnittansicht der Verbindungszone von 8 ist.
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1, 2 und 3 zeigen
eine Ausführungsform
einer Vorrichtung, die in einem Verfahren gemäß der Erfindung für die Herstellung
von Papiermaschinenstoffen verwendet werden kann, entweder durch
die Verwendung eines UV-härtbaren
Harzes oder durch Sintern eines teilchenförmigen, thermoplastischen Materials.
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Die
Vorrichtung umfasst ein Endlosband 10, das auf Endwalzen 11, 12 bereitgestellt
ist. Andere Führungs-,
Antriebs- und Trägerwalzen
wurden der Einfachheit wegen weggelassen. Das Band 10 ist
mit einem Fluorpolymermaterial beschichtet, um eine gute Trennoberfläche bereitzustellen,
und bildet eine ausgedehnte Arbeitsfläche für die Herstellung von Papiermaschinenstoffen.
Eine Herstellungszone 15 ist bereitgestellt, die sich über die
Breite des oberen Durchlaufs des Bandes 10 und in die Laufrichtung des
Bandes 10 über
eine relativ kurze Strecke erstreckt. Die Zone 15 ist begrenzt
von Eingrenzungswänden
oder -zäunen,
welche die Form von Seitenwänden 16 an
den Rändern
des Bandes annehmen, die auf Kolben 17 zur Höheneinstellung
befestigt sind, eine Vorderwand 18, die in die Richtung
weist, in der sich das Band 10 nähert, und die in gleitendem Eingriff
mit der Oberfläche
des Bandes steht, und eine Rückwand 19,
die mit Zwischenraum über
das Band 10 angehoben werden kann, so dass ein gebildeter
Stoff 20 auf der Bandoberfläche, mitgeführt von dem Band, auslaufen
kann.
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Der
Stoff 20 wird von dem Band 10 abgenommen und einer
weiteren Bearbeitung zugeführt.
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Der
Stoff ist aus aufeinanderfolgenden Lagen mit zum Beispiel 0,1 mm
Dicke gebildet, die zu einer Stoffdicke von zum Beispiel 2 mm aufgebaut sind,
was für
gewöhnlich
das aufeinanderfolgende Aufbringen von etwa 20 Materiallagen
bedeutet.
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Die
Zeichnungen sind daher nicht maßstabgetreu,
da die Wände 16, 18 und 19 nicht
mehr als 10 mm hoch sein mögen,
während
die Breite des Bandes zum Beispiel etwa 11 Meter betragen kann und das
Längenmaß (in Bezug
auf das Band) der Zone 15 in der Größenordnung von 100 mm sein
kann.
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Das
Material wird von mehreren Abgabeköpfen 21 (in 1 oder 3 nicht
dargestellt) entweder in Form eines flüssigen, UV-härtbaren
Harzes oder als fein verteiltes, teilchenförmiges oder pulvriges, thermoplastisches
Material in die Zone abgegeben, um eine Abfolge gleichmäßiger Lagen
von etwa 0,1 mm Tiefe zu bilden. Es kann eine Messerrakel oder Streichmaschine
(nicht dargestellt) verwendet werden.
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Wenn
eine Streichmaschine zum Verteilen des Harzes verwendet wird, kann
dies zu einer molekularen Orientierung in eine bevorzugte Richtung beitragen.
Ein Trägermaterial
ist nicht unbedingt erforderlich, um Überhänge zu stützen, wenn eine obere Schicht
nicht direkt von dem darunter liegenden Material gestützt wird,
sondern über
einem Hohlraum liegt, wenn der Modul des gehärteten Harzes so ist, dass
es in dem fraglichen Maßstab
selbsttragend ist, so dass ungestütztes Material nicht in den
darunter liegenden Hohlraum absackt. Wenn die Eigensteifheit des
gehärteten
Harzmaterials unzureichend ist, um in dem fraglichen Maßstab garantiert
selbsttragend zu sein, muss eine bestimmte Art von "Gerüst" in Form eines Opfermaterials
bereitgestellt werden, das die Hohlräume füllt und später nach der vollständigen Vernetzung
und Härtung
des Harzes entfernt wird.
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Das
Material wird von einer Gruppe von Lasern 22 behandelt,
die im Falle eines flüssigen, UV-härtbaren
Harzes UV-Laser sind, die bei einer Wellenlänge von z.B. 365 nm arbeiten,
und an einem Schlitten 23 befestigt sind, so dass sie quer
zu dem Band 10 oder rückwärts und
vorwärts
in die Bewegungsrichtung des Bandes, wie auch hoch und tief in Bezug
auf das Band bewegt werden können.
Die letztgenannte Bewegung er fordert ein Anheben der Laser 22 um
eine Lagendicke nach Beendigung der Behandlung jeder aufeinanderfolgenden
Lage, und dann das Zurückstellen
der Laser auf ihre geringste Höhe
für den
nächsten
Stoffabschnitt, sobald das Förderband
den Stoff um die Breite der Zone 15 nach rechts bewegt
hat. Diese Bewegungen und der Betrieb der Laser werden von einem
Computer 19 gesteuert, der ein CAD-Programm laufen lässt. Im
Falle der Verwendung von thermoplastischem Pulver oder Partikeln
sind die Laser 22 IR-Laser, die bei einem Leistungsausgang
im Bereich von 50 bis 200 W arbeiten und die Partikel auf eine ausreichende
Temperatur erwärmen,
um die Oberflächen
der Partikel wenigstens ausreichend zu erweichen, damit die Partikel
an ihre Kontaktzonen schmelzen können.
Die verwendeten Partikel haben einen Durchmesser in der Größenordnung
von 50 Mikron. Eine Druckwalze, nicht dargestellt, kann zum Feststampfen
des Pulvers auf ein gleichförmiges
Niveau verwendet werden, was auch die Schmelzbindung der Partikel
begünstigt.
Für gewöhnlich wird
beim Sintern von thermoplastischen Kunststoffen die Herstellungskammer bei
einer Temperatur gerade unter dem Schmelzpunkt des Pulvers gehalten,
so dass der Laser nur eine minimale Menge an zusätzlicher Energie zuführen muss,
um ein Schmelzen zu bewirken. Ebenso muss der Betrieb in einer inerten
N2- oder CO2-Atmosphäre ausgeführt werden,
um eine Oxidation zu vermeiden, die zu Eingrenzungsproblemen führen kann.
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Die
Laser 22 werden selektiv betrieben, um gehärtete/geschmolzene
und ungehärtete/ungeschmolzene
Flächen
auf der Lage zu erhalten, wobei die gehärteten/geschmolzenen Flächen als
Teil der Stoffstruktur zurückbleiben
und die ungehärteten/ungeschmolzenen
Flächen
nach dem Aushärten
des Harzes oder thermoplastischen Kunststoffes entfernt werden,
um Hohlräume,
Perforierungen oder Poren in der Stoffstruktur zu bilden.
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Wenn
der Stoff 20 vom Band 10 abgenommen wird, läuft er durch
eine Spülstation 24,
wo ungehärtetes
oder ungeschmolzenes Material von dem Stoff 20 entfernt
wird, wodurch Hohlräume
oder Poren in der gehärteten
oder geschmolzenen Stoffstruktur verbleiben. Dieses Spülen kann
durch Wasser oder ein anderes Lösemittel
oder eine Waschflüssigkeit
erfolgen, insbesondere im Falle von UV-härtbarem Harz, oder durch einen
Gebläsewind
oder eine Saugwirkung im Falle von teilchenförmigen Materialien.
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Nach
der Spülstation
wird das verbleibende Bandmaterial im Falle von UV-härtendem
Harz einem allgemeinen Bad von UV-Strahlung ausgesetzt, um eine
vollständige
Härtung
an der Härtungsstation 25 zu
gewährleisten.
Im Falle von thermoplastischen Partikeln kann diese durch eine Kühlstation
ersetzt werden, in der gekühlte
Luft verwendet wird, um ein Aushärten
des thermoplastischen Materials zu gewährleisten.
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Das
UV-härtbare
Harz kann eine Formulierung umfassen, die einen Initiator enthält, der
durch Absorption von UV-Strahlung aktiviert wird.
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Das
teilchenförmige,
thermoplastische Material kann die Form eines Pulvers, wie einer
pulverförmigen
Pressmasse oder thermoplastischer Mikrokügelchen, aufweisen, und kann
aus jedem geeigneten thermoplastischen Material, wie Polyolefin,
PEEK, Polyesterpolyamid oder dergleichen, bestehen.
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4 zeigt
als einfachen Fall eine Herstellung einer perforierten Membran aus
einem UV-härtbaren
Harz. Eine erste Lage 45 aus Harz wurde abgelegt und selektiv
unter Verwendung eines Lasers 48 gehärtet. Gehärtete Flächen 46 sind in der
Zeichnung schraffiert dargestellt und diese bilden die Stege der
Membran. Unge härtete
Flächen 47 sind
unschraffiert dargestellt und diese bilden die Öffnungen durch die Membran,
wenn diese fertiggestellt und das ungehärtete Harz 47 durch
Spülung
entfernt ist. Eine zweite Lage 49 wird gerade fertiggestellt,
indem ein weiterer Flüssigkeitsfilm
aus ungehärtetem
Harz von den Düsen 50 des
Verteilerkopfes aufgetragen wird. Ein Laserprojektor 48 sendet
ein Bündel 52 UV-Strahlung
aus, das auf die obere, in diesem Fall zweite Lage 49 einwirkt,
wobei die UV-Strahlung
die Härtung
des Harzes in der zweiten Lage in den Zonen einleitet, in welchen
der Laser arbeitet, während er
abtastet. Es gibt eine gewisse Überlappung
der Tiefe, in die Strahlung in die erste Lage 45 und auch in
den Kantenbereich des vorangehenden Streifens eindringt, um eine
Bindung zwischen aufeinanderfolgenden Lagen zu gewährleisten.
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5 zeigt
die Herstellung einer einfachen Struktur, wieder einer perforierten
Membran, in dem Herstellungsprozess unter Verwendung eines Sinterns
thermoplastischer Partikel. Eine untere Partikellage 60 wurde
bereits behandelt, wobei schraffierte Zonen 61 durch einen
Laser 62 geschmolzen wurden und unschraffierte Zonen 63 ungeschmolzen blieben;
diese bilden die Perforierungen in der Membran nach Entfernung der
ungeschmolzenen Partikel. Ein Laserbündel 64 beginnt eine
zweite, neu verteilte Lage 65 aus ungeschmolzenen, thermoplastischen
Partikeln zu behandeln, wobei es zu einem Schmelzen in der Zone 66 kommt,
auf die das Laserbündel 64 direkt
einwirkt, das in den oberen Teil der bereits behandelten unteren
Lage 60 eindringt, diese wieder erweicht und eine Bindung
zwischen den Lagen gewährleistet. "Bögen", wo Material in einer oberen Lage über einem
Hohlraum in einer unteren Lage liegt, werden von ungeschmolzenem
Material gestützt,
das später
entfernt wird.
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6 und 7 zeigen
schematisch zwei relativ einfache Strukturen, die durch die Verfahren hergestellt
werden können,
die in 1, 2 und 3 dargestellt
sind. Andere, komplexere Strukturen sind natürlich möglich.
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6 zeigt
eine Membran, die Stege 70 und Öffnungen 71 umfasst,
wobei die Stege 70 übereinander
gelegte Lagen umfassen und die Öffnungen 71 so
angeordnet sind, dass sie nach oben zu der papiertragenden (oberen)
Seite der Membran schmäler werden.
Solche konisch zulaufenden Öffnungen
können
zum Beispiel für
die Verwendung in Entwässerungsfilzen
erwünscht
sein, sind aber mit anderen Verfahren nicht einfach herzustellen,
die Formen mit einem Bett aus konisch zulaufenden Stiften benötigen, deren
maschinelle Herstellung teuer ist.
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7 zeigt
einen Abschnitt einer weiteren Membran, die Stege 85 und Öffnungen 86 umfasst, wobei
die letztgenannten wie üblich
quadratisch, rechteckig oder kreisförmig sind. Verstärkungsgarne 87 sind
in den Stegen 85 eingearbeitet, die auf dem Band in Längsrichtung
(Maschinenrichtung) während des
Strukturaufbaus durch eines der beschriebenen Verfahren abgelegt
wurden. Als Alternative könnten die
Verstärkungsgarne
quer zu dem Band in der Zone 15 abgelegt werden, bevor
jeder Streifen hergestellt wird.
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Eine
weitere Möglichkeit
(nicht dargestellt) ist, dass ein Stoff unter Verwendung sowohl
des Verfahrens mit UV-härtbarem
Harz als auch desjenigen mit gesinterten Partikeln gebildet oder
hergestellt werden könnte,
wobei z.B. eine Membran oder ein Gitter aus einem UV-gehärteten Harz
hergestellt werden kann und dann eine gesinterte Struktur aus thermoplastischem
Material auf der Oberseite des Gitters oder der Membran aufgebaut
werden kann.
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Die
Papiermaschinenstoffstrukturen, die unter Verwendung des Verfahrens
der Erfindung geschaffen werden können, können die Eigenschaften bestehender
einfacher oder komplexer Strukturen nachahmen oder es können neue
Strukturen geschaffen werden. Eine Struktur, die vorteilhaft sein kann,
umfasst eine poröse
Membran mit regellos verteilten und dimensionierten, durchgehenden
Poren mit integrierten Stützstegen
an der Maschinenseite, die Verstärkungsgarne
in Maschinenrichtung aufweisen. Die Stege können die Form eines Netzes
oder Gitters haben oder als Rippen in Maschinenrichtung an der Maschinenseite
der Membran gebildet sein.
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Das
Band 10 in den obengenannten Ausführungsformen kann mit einem
Trennmittel beschichtet sein, das eine Abnahme des Papiermaschinenstoffes,
der durch das Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt
wurde, von dem Band ermöglicht,
wonach es gereinigt und aufgerollt wird. Dieser Prozess würde fortgesetzt
werden, bis eine Länge
erzeugt ist, die einer bestimmten geplanten Stofflänge entspricht. Die
Umformung des flachen Stoffes zu einer Endlosschleife wäre als eigener
Schritt auszuführen,
wie zum Beispiel in 8 und 9 dargestellt
ist.
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In
der Ausführungsform
des Stoffes 100, die in 8 und 9 dargestellt
ist, umfasst der Stoff eine obere poröse Membran 101 mit
mehreren regellos verteilten Poren, und eine ähnlich poröse untere Schicht mit Stegen 102,
die sich in die Maschinenrichtung des Bandes erstrecken, in denen
Verstärkungsgarne 103 in
die Maschinenrichtung verlaufen. Der Stoff 100 ist mit
einem Spalt zwischen den Enden 111, 112 des Stoffes
angeordnet, der eine Formungszone 110 bildet, in der eine
vorläufige
Lage 105 durch eine Reihe von Operationen aufgebaut wird,
in welchen aufeinanderfolgende Lagen aus vernetztem oder gesintertem
Material abgelegt werden, um sich der Dicke des Materials unter den
Garnen 103 anzupassen. Die Garne 103, die von
den Enden 111, 112 des Stoffes herausragen, werden
dann über
die Lage 105 gelegt, und eine Stoffstruktur, die zu dem
Stoff 100 passt, wird dann um und über den Garnen 103 aufgebaut,
indem weitere Lagen aus vernetztem oder gesintertem Material abgelegt
werden, wodurch die Garne eingebettet und die Enden des Stoffes
verbunden werden, was mit der Strukturoberflächenveredelung und Porosität des Stoffes 100 zusammenpasst,
um diesen als Endlosstoff fertig zu stellen. Die Ablege- und Vernetzungs-/Schmelzvorrichtungen sind
schematisch als ein Kasten 120 in 9 dargestellt.
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Es
wird festgestellt werden, dass die Garne 103 an jedem Ende
des Stoffes 100 abwechselnd lang und kurz geschnitten sind,
so dass sie ineinander greifen können,
wie in 8 dargestellt, so dass eine ausgesprochene Schwachlinie
soweit wie möglich
vermieden wird. Während
die Garne 103 in den Zeichnungen gerade dargestellt sind,
versteht sich, dass sie in der Verbindungszone zwischen den Enden 111 und 112 mechanisch
gekräuselt
sein können.
Dies verringert das Risiko eines Rutschens zwischen Garnen und Matrix,
da gekräuselte
Garne einem Herausziehen aus der Matrix besser widerstehen als gerade
Garne. Die Verbindung kann vor der Installation oder an der Papiermaschine
unter Verwendung einer transportierbaren Vorrichtung erfolgen.