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Die
Erfindung betrifft eine Kalandriervorrichtung, die einen umlaufenden
Mantel mit einer Innenseite und einer Außenseite aufweist,
wobei zwischen dem Mantel und einem Gegendruckelement ein Nip mit
einer Pressrichtung ausgebildet ist, durch den eine Materialbahn
führbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren
zum Kalandrieren einer Materialbahn, wobei eine Materialbahn durch
einen Nip eines Kalanders geführt wird, wobei der Nip durch
ein umlaufendes oder rotierendes Element und ein Gegendruckelement
gebildet wird.
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Kalandriervorrichtungen
werden dafür verwendet, die Oberflächen von Materialbahnen
zu beeinflussen und insbesondere zu glätten. Eine Materialbahn
ist z. B. eine Papier- oder Kartonbahn.
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Zur
Erzeugung einer möglichst glatten Oberfläche einer
Materialbahn wird diese im Nip eines Kalanders mit Druck beaufschlagt,
der in Pressrichtung auf die Materialbahn wirkt. Die Pressrichtung
verläuft dabei in der Regel senkrecht zur Oberfläche
der Materialbahn. Das Glättergebnis wird dabei unter anderem
durch den anliegenden Pressdruck, die Temperatur und die Feuchte
der Materialbahn beeinflusst. Auch die Breite in Bahnlaufrichtung
des Nips hat Einfluss auf das Glättergebnis. Eine Verstellung
dieser Parameter ist jedoch nur in gewissen Grenzen möglich.
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So
wird beispielsweise durch Erhöhung des Drucks im Nip ein
besseres Glättergebnis erzielt. Dies führt aber
gleichzeitig dazu, dass das Volumen der Materialbahn abnimmt. Um
eine Materialbahn mit entsprechendem Volumen zu erhalten, ist dann
mehr Material erforderlich, was das Gewicht der Materialbahn erhöht
und zusätzliche Kosten verursacht.
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Bei
sogenannten Friktionskalandern wird das Prinzip der Friktionsglättung
zur Verbesserung des Glättergebnisses verwendet. Dabei
werden beispielsweise die zwei Walzen des Kalanders, die zwischen
sich einen Nip ausbilden, mit unterschiedlichen Umfangsgeschwindigkeiten
betrieben. Dies führt zu einer Friktion zwischen der Oberfläche
der Materialbahn und der Oberfläche zumindest einer der
Walzen, was eine Glättung der Oberfläche der Materialbahn
bewirkt. Dadurch werden jedoch auch Spannungen in die Materialbahn
eingebracht, die dazu führen, dass die Materialbahn nur
mit relativ geringen Geschwindigkeiten bewegt werden kann.
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Aus
US 3,908,808 ist eine Kalandriervorrichtung
bekannt, die zwei Walzen aufweist, wobei innerhalb einer Walze eine
mit der Walze rotierende Ultraschallerzeu gungseinheit angeordnet
ist. Mit Hilfe dieser Ultraschallerzeugungseinheit soll die gesamte Walze
in Rotationsschwingungen versetzt werden. Diese überlagern
dann die Umfangsgeschwindigkeit der Walze und führen so
zur Friktion zwischen der Oberfläche der Walze und der
Oberfläche der Materialbahn. In einem Ausführungsbeispiel
wird dabei die Walze nur oder zusätzlich auch in Axialrichtung
in Schwingungen versetzt. Eine technische Umsetzung dieser Erfindung
ist allerdings nicht bekannt. Ingesamt ist es derzeit kaum möglich,
ganze Walzen einer Kalandriervorrichtung, die eine große
Masse aufweisen, in Schwingungen im Ultraschallbereich zu versetzen.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein gutes Kalandrierergebnis
bei geringer Druckbelastung der Materialbahn zu erhalten.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe nun bei einer Kalandriervorrichtung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass mindestens eine Ultraschallerzeugungseinheit
an mindestens einem ortsfesten Träger angeordnet ist, die
mit der Innenseite des Mantels im Bereich des Nips in Wirkverbindung
steht.
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Diese
Ausbildung hat mehrere Vorteile. Durch die Anordnung der Ultraschallerzeugungseinheit
an einem ortsfesten Träger ist die Energieversorgung der
Ultraschallerzeugungseinheit unproblematisch. Die Position der Ultraschallerzeugungseinheit in
Bezug zum Nip ist dabei konstant. Der Mantel läuft beispielsweise
um die Ultra schallerzeugungseinheit und den ortsfesten Träger
herum. Da die Ultraschallerzeugungseinheit im Bereich des Nips in
Wirkverbindung mit der Innenseite des Mantels steht, reicht es aus,
nur einen relativ kleinen Bereich des Mantels, nämlich
den Bereich, der den Nip bildet, in Schwingungen zu versetzen. Dafür
reichen bereits relativ kleine Kräfte aus. Der Leistungsbedarf
der Ultraschallerzeugungseinheit ist daher nicht übermäßig groß.
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Vorzugsweise
weist die Ultraschallerzeugungseinheit mindestens eine Sonotrode
und mindestens einen Konverter auf. Eine Sonotrode ist eine mechanische
Komponente, die die vom Konverter erzeugten Schwingungen weiterleitet.
Die Schwingungen werden dabei durch den Konverter erzeugt.
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Dabei
ist besonders bevorzugt, dass der Konverter als piezoelektrischer
Konverter ausgebildet ist, durch den Schwingungen in oder quer zur Pressrichtung
erzeugbar sind. Mit einem piezoelektrischen Konverter ist es ohne
weiteres möglich, Schwingungen im Ultraschallbereich zu
erzeugen. Dabei sind durch den piezoelektrischen Konverter auch
relativ große Stellkräfte möglich. Werden
dabei Schwingungen in Pressrichtung erzeugt, können dadurch
beispielsweise Unregelmäßigkeiten in der Materialbahn
ausgeglichen werden. Schwingungen quer zur Pressrichtung bewirken
eine möglichst große Friktion zwischen dem Mantel
und der Oberfläche der Materialbahn. Dies ist zur Verbesserung
des Glättergebnisses besonders gewünscht.
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Bevorzugterweise
ist zwischen Mantel und Ultraschallerzeugungseinheit ein Schmiermedium angeordnet.
Dadurch wird der Verschleiß zwischen dem Mantel und der
Sonotronoberfläche verringert. Das Schmiermedium wird dabei
durch geeignete Maßnahmen über die gesamte Breite
des Mantels verteilt. Als Schmiermedium kann z. B. Wasser, Öl, Hydraulikflüssigkeit,
rheologische Flüssigkeit, Silikonöl, Thermalöl,
Dampf, Gel und ähnliches verwendet werden. Dabei kann das
Schmiermedium auch zur Kühlung der Sonotrode dienen. Durch
das Schmiermedium erfolgt gleichzeitig eine Dämpfung der
eingebrachten Schwingungsenergie, was sich vorteilhaft auf eine
gleichmäßige Verteilung der Ultraschallschwingungen
im Nip auswirkt. Lokale Unregelmäßigkeiten, die
zu einer unerwünschten Erwärmung führen
können, werden so vermieden. Durch das Schmiermedium wird
das Glättergebnis also weiter verbessert.
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Vorzugsweise
ist die Sonotrode relativ zum Mantel justierbar. Die Spalthöhe
zwischen der Sonotrode und der Innenseite des Mantels soll möglichst konstant
sein. Durch die im Betrieb erzeugte Wärme kann sich beispielsweise
die Länge der Sonotrode verändern, was zu einer Änderung
der Spalthöhe führen würde, wenn die
Sonotrode nicht relativ zum Mantel justierbar wäre. Wird
die Spalthöhe zu gering, kann dies im schlimmsten Fall
zu einer Beschädigung des umlaufenden oder rotierenden
Mantels führen. In der Regel ergibt sich auch eine Verschlechterung
des Glättergebnisses. Auch bei einer zu großen Spalthöhe
wird nur noch ein unzureichendes Glättergebnis erzielt.
Zur Messung der Spalthöhe, also des Abstands der Sonotrode
zur Innenseite des Mantels, kann z. B. über Kraftsensoren
wie beispielsweise Dehnungsmessstreifen die Anpresskraft der ausgelenkten
Sonotrode ermittelt werden und damit die Spalthöhe bestimmt
werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Abstand
der Sonotrode über Wirbelstromaufnehmer im Metallband zu
messen. Die Spalthöhe kann beispielsweise mit Hilfe von
hydraulischen, elektrischen, magnetischen oder Piezo-aktorischen
Aktoren beeinflusst werden.
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Bevorzugterweise
sind mehrere Ultraschallerzeugungseinheiten in Richtung einer Rotationsachse
nebeneinander angeordnet, um die der Mantel umläuft. Die
Rotationsachse kann eine fiktive Achse sein. Sind nun mehrere Ultraschalleinheiten
in Richtung der Rotationsachse nebeneinander angeordnet, also in
Querrichtung der Materialbahn, kann eine homogene Schwingung über
die gesamte Breite des Mantels bzw. der Materialbahn erzeugt werden. Es
ist auch denkbar, dass mit Hilfe der Ultraschallerzeugungseinheiten
eine Querprofilierung der Materialbahn erfolgt. Dafür können
beispielsweise die Sonotroden der Ultraschallerzeugungseinheiten
mit unterschiedlichem Abstand zum Mantel justiert werden. Die Profilierung
kann dann beispielsweise mit einer in Bahnlaufrichtung nach dem
Nip angeordneten Messvorrichtung erfasst und in einer Regeleinrichtung
verarbeitet werden, wobei insbesondere die Parameter Glanz, Glätte
und Dicke der Materialbahn interessant sind.
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Bevorzugterweise
weist die Kalandriervorrichtung quer zur Rotationsachse versetzte
Ultraschallerzeugungsein heiten auf. Die Ultraschallerzeugungseinheiten
sind also auch in Bahnlaufrichtung gegeneinander versetzt. Dadurch
ist es möglich, einen größeren Bereich
des Mantels zu Schwingungen anzuregen. Insbesondere bei breiten
Nips ist es sonst nicht möglich, den Mantel im gesamten
Bereich des Nips zu Schwingungen anzuregen. Durch die quer zur Rotationsachse
versetzten Ultraschallerzeugungseinheiten wird somit das Glättergebnis
verbessert.
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Bevorzugterweise
sind in Pressrichtung schwingbare Ultraschallerzeugungseinrichtungen benachbart
zu quer zur Pressrichtung schwingbaren Ultraschallerzeugungseinheiten
angeordnet. Schwingungen können so sowohl in Pressrichtung als
auch quer zur Pressrichtung in den Mantel eingebracht werden, wobei
der Abstand zwischen jeweils in gleiche Richtung schwingenden Ultraschallerzeugungseinheiten
relativ gering bleibt, so dass sich eine gleichmäßige
Schwingungsverteilung ergibt.
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Bevorzugterweise
weisen die Ultraschallerzeugungseinheiten eine Schwingfrequenz auf,
die im Bereich von 10 kHz bis 300 MHz, insbesondere von 20 kHz bis
30 MHz liegt. Eine derartige Schwingfrequenz ist mit herkömmlichen
Mitteln zu realisieren, wobei durch eine höhere Schwingfrequenz
prinzipiell ein gleichmäßigeres Glättergebnis
erzeugt und/oder die Bahnlaufgeschwindigkeit erhöht werden
kann.
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Vorzugsweise
weisen die Ultraschallerzeugungseinheiten eine Schwingungsamplitude
von 5 bis 500 μm, insbesonde re von 20 bis 200 μm
auf. Die Schwingungsamplituden sind also relativ gering. Daher ist
auch der Energiebedarf der Ultraschallerzeugungseinheiten relativ
klein.
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Vorzugsweise
ist der umlaufende Mantel über einstellbare Leitwalzen
geführt. Durch die einstellbaren Leitwalzen kann beispielsweise
die Spannung des umlaufenden Mantels verändert werden. Durch
eine Veränderung des Winkels der Rotationsachse der Leitwalzen
zur Rotationsachse des Mantels, also einer Schrägverstellung
der Leitwalzen, kann der Lauf des Mantels eingestellt werden. Es
ist auch günstig, wenn die Leitwalzen bombiert sind, also
eine Balligkeit aufweisen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Leitwalzen
mit einer periodisch veränderlichen Geschwindigkeit mit
einer Frequenz von 100 bis 1.000 Hz antreibbar. Der gesamte Mantel
wird so in Schwingungen versetzt. Diese Schwingungen überlagern
dabei die eingestellte Umdrehungsgeschwindigkeit des Mantels, die
der Bahnlaufgeschwindigkeit der Materialbahn entspricht. Es entsteht
also eine periodische Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Geschwindigkeit
des Mantels und der Geschwindigkeit der Materialbahn, die zur Friktion
und damit zur Glättung der Oberfläche der Materialbahn
führt.
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Bevorzugterweise
weist jede Ultraschallerzeugungseinheit einen Ultraschallgenerator
auf. Jede Ultraschallerzeugungseinheit kann so individuell angesteuert
und mit genau abgestimmten Frequenzen betrieben werden. Da durch
ist eine variable Profilierung der Materialbahn möglich.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist den Ultraschallerzeugungseinheiten
ein gemeinsamer Ultraschallgenerator zugeordnet. Dies ist zum einen
kostengünstiger. Zum anderen wird so sichergestellt, dass
alle Ultraschallerzeugungseinheiten mit der gleichen Schwingfrequenz
angesteuert werden.
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Bevorzugterweise
ist die Sonotrode an ihrer dem Mantel zugewandten Stirnseite profiliert,
insbesondere konvex oder konkav ausgebildet. Über die Profilierung
der Stirnseite der Sonotrode kann die Richtung der von der Sonotrode
ausgehenden Ultraschallschwingungen beeinflusst werden. So ist es beispielsweise
möglich, die durch die Schwingungen übertragene
Energie auf einen Punkt zu konzentrieren. Der Bereich des Mantels,
der zu Schwingungen angeregt wird, wird also auch durch die Ausgestaltung
der Stirnseite der Sonotrode bestimmt. In der Regel ist dieser Bereich
größer als der Kontaktbereich zwischen Mantel
und Sonotrode.
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Bevorzugterweise
ist die Sonotrode an der dem Mantel zugewandten Stirnseite mit einer
hydrostatischen Schmierung versehen. Dadurch wird der Verschleiß zwischen
Sonotrode und Mantel verringert. Eine hydrostatische Schmierung
hat dabei den Vorteil, dass keine zusätzlichen Abdichtungen
vorgesehen werden müssen.
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Vorzugsweise
sind die Sonotroden schwenkbar angeordnet. Der Winkel, mit dem die
Sonotroden zum Mantel und damit auch zum Gegendruckelement stehen,
kann so variiert werden.
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Vorzugsweise
sind die Sonotroden geteilt. Dadurch können die Ultraschallschwingungen,
die vom Konverter auf die Sonotroden übertragen werden,
in einem größeren Bereich auf den Mantel übertragen
werden. Der zu Schwingungen angeregte Bereich des Mantels wird damit
vergrößert und so ein besseres Glättergebnis
erzielt.
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Vorzugsweise
sind die Sonotroden temperierbar. Die Sonotroden können
beispielsweise mit induktiven oder elektrischen Heizelementen ausgerüstet
sein, oder auch Kühlelemente aufweisen. Dadurch kann eine
Ausdehnung der Sonotroden aufgrund unterschiedlicher Temperaturen
verhindert werden.
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Bevorzugterweise
weist jede Ultraschallerzeugungseinheit zwei Sonotroden auf, die
in einem flachen Winkel zueinander angeordnet sind. Zwischen den
Sonotroden und dem Mantel lässt sich so eine stehende Welle
erzeugen. Werden die Sonotroden dabei mit einer leicht unterschiedlichen
Frequenz angeregt, entsteht eine Schwebung der stehenden Welle.
Dadurch wird der Mantel über einen relativ großen
Bereich gleichförmig angeregt.
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Vorzugsweise
sind die Sonotroden als Rollsonotroden mit je einer Sonotrodenwalze
ausgebildet, wobei die Sonotrodenwalzen einen Durchmesser aufweisen,
der ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge
der Erregerschwingung beträgt. Eine Rollsonotrode kann
direkt auf den Mantel wirken, wobei der Verschleiß sehr
gering ist.
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Vorzugsweise
ist der Mantel temperierbar. Über die Einstellung der Temperatur
des Mantels kann die Temperatur der Materialbahn im Nip beeinflusst
werden. Die Materialbahn sollte im Bereich des Nips eine Temperatur
von etwa 40 bis 90°C aufweisen. Dies kann durch die Temperierung
des Mantels sichergestellt werden. Dabei kann die Beheizung des Mantels
beispielsweise von außen durch Infrarotstrahler, induktive
Beheizungen und ähnlichem erfolgen. Auch eine zonenweise
Ansteuerung der Heizung für den Mantel ist möglich,
beispielsweise bei einer induktiven Heizung. Dadurch kann ein gewünschtes
Temperaturprofil des Mantels eingestellt werden und damit eine Profilierung
der Materialbahn erzeugt werden. Die Temperierung des Mantels führt insgesamt
zu einem verbesserten und reproduzierbaren Glättergebnis.
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Bevorzugterweise
weist die Kalandriervorrichtung eine Reinigungsvorrichtung für
den Mantel auf. Die Reinigungsvorrichtung kann beispielsweise als
Schaber ausgebildet sein oder Trockeneis, Ultraschall oder eine
Reinigungsbürste aufweisen. Verunreinigungen des Mantels,
die zu einem verschlechterten Glättergebnis führen
würden, werden so zuverlässig entfernt.
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Die
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, dass zumindest das umlau fende oder rotierende Element
im Bereich des Nips an mindestens einer Ultraschallerzeugungseinheit
vorbeigeführt wird.
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Dadurch
wird das umlaufende oder rotierende Element im Bereich des Nips
zu Schwingungen angeregt, die zu einer Differenzgeschwindigkeit
zwischen dem umlaufenden oder rotierenden Element und der Materialbahn
führen. Ein rotierendes Element ist beispielsweise eine
Walze. Ein umlaufendes Element ist beispielsweise ein Band, das
durch mehrere Leitwalzen umlaufend geführt wird. Da das
umlaufende oder rotierende Element an der Ultraschallerzeugungseinheit
vorbeigeführt wird, kann diese ortsfest befestigt werden,
so dass eine einfache Energieversorgung der Ultraschallerzeugungseinheit
erfolgen kann. Gleichzeitig erfolgt eine Schwingungsanregung des
umlaufenden oder rotierenden Elements durch die Ultraschallerzeugungseinheit
nur im Bereich des Nips, also in einem abgegrenzten Bereich, der
im Wesentlichen dem Bereich entspricht, in dem das umlaufende oder
rotierende Element mit der Materialbahn in Kontakt ist. Es ist daher
nicht notwendig, das gesamte umlaufende oder rotierende Element
in Schwingungen zu versetzen. Der Energiebedarf zur Erzeugung der
Schwingungen ist daher relativ gering. Durch die Schwingungen wird eine
Relativgeschwindigkeit zwischen der Materialbahn und dem umlaufenden
oder rotierenden Element erzeugt, was zu einer Friktion und damit
zu einem verbesserten Glättergebnis führt.
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Vorzugsweise überträgt
die Ultraschallerzeugungseinheit Schwingungen mit einer Amplitude
von 5 bis 150 μm bei einer Frequenz von mindestens 18 kHz
auf das umlaufende oder rotierende Element. Durch die relativ hohe
Frequenz von mindestens 18 kHz wird ein gleichmäßiges
Glättergebnis erzielt. Die Amplitude der Schwingungen ist
dabei relativ gering, so dass durch die Ultraschallerzeugungseinheiten nur
geringe Stellkräfte übertragen werden müssen.
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Bevorzugterweise
weist das umlaufende oder rotierende Element ein Metallband oder
einen Metallmantel auf, der auf 20 bis 300°C, insbesondere auf
60 bis 200°C erwärmt wird. Ein Metallband oder Metallmantel
ist ein guter Schwingungsüberträger. Die von der
Ultraschallerzeugungseinheit erzeugten Schwingungen werden so nur
mit geringen Verlusten übertragen. Durch die Erwärmung
des Metallbands bzw. Metallmantels wird das Glättergebnis
zusätzlich verbessert.
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Vorzugsweise
wird das Gegendruckelement auf 70 bis 350°C erwärmt.
Dadurch wird die Materialbahn auch auf der vom umlaufenden oder
rotierenden Element abgewandten Seite erwärmt. Dadurch ergibt
sich eine homogenere Temperaturverteilung in der Materialbahn und
damit ein homogeneres Endergebnis.
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Vorzugsweise
wird im Nip ein Druckspannung im Bereich von 0,1 bis 200 MPa eingestellt. Eine
derartige Druckspannung führt zu einer guten Glättung
der Oberfläche der Materialbahn ohne das Volumen der Materialbahn
in unzulässiger Weise zu verringern.
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Bevorzugterweise
regt die Ultraschallerzeugungseinheit das umlaufende oder rotierende
Element in einer Prozesszone zu Schwingungen an, wobei die Geschwindigkeit
der Materialbahn so abgestimmt wird, dass die Materialbahn in der
Prozesszone 1 ms bis 50 ms verweilt. Die Prozesszone liegt dabei
im Bereich des Nips. Durch die Abstimmung der Geschwindigkeit der
Materialbahn unter Berücksichtigung der Verweildauer der
Materialbahn in der Prozesszone wird sichergestellt, dass die durch
die Ultraschallerzeugungseinheit eingebrachten Schwingungen auch
wirksam werden können. Eine längere Verweilzeit
führt dabei in der Regel zu einem besseren Glättergebnis.
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Vorzugsweise
wird das Metallband über Leitwalzen geführt, wobei
ein Umschlingungswinkel des Metallbands mit dem Gegendruckelement
mit den Leitwalzen eingestellt wird. Der Umschlingungswinkel bestimmt
dabei die Länge des Nips und so auch die Länge
der möglichen Prozesszone. Dabei kann über die
Verstellung der Leitwalzen auch die Druckspannung im Nip beeinflusst
werden. Durch eine Winkelverstellung der Leitwalzen kann auch eine Korrektur
des Bahnlaufs des Metallbands erfolgen. Zur Einstellung der Leitwalzen
kann ein aktives System vorgesehen sein, das beispielsweise hydraulische,
elektromagnetische oder piezoelektrische Aktoren aufweist. Vor und/oder
nach dem Nip können auch Zugmessdo sen angeordnet werden,
um den Lauf des Metallbandes zu kontrollieren.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin
zeigen:
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1 eine
Kalandriervorrichtung einer ersten Ausführungsform und
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2 eine
Kalandriervorrichtung einer zweiten Ausführungsform.
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Die
Darstellungen in den Figuren sind rein schematisch. In 1 ist
eine Kalandriervorrichtung 1 dargestellt, die einen umlaufenden
Mantel 2 mit einer Innenseite 3 und einer Außenseite 4 aufweist. Ferner
weist die Kalandriervorrichtung 1 ein Gegendruckelement 5 auf,
das als Walze ausgebildet ist. Das Gegendruckelement 5 kann
auch eine Heizwalze sein. Der Mantel 2 und das Gegendruckelement 5 bilden
einen Nip 6, durch den eine faserförmige Materialbahn 7 geführt
ist. Die Bewegungsrichtung der Materialbahn 7 ist durch
einen Pfeil 8 gekennzeichnet. Im Nip 6 wird die
Materialbahn 7 mit Druck beaufschlagt, wobei die Druckbeaufschlagung
in Pressrichtung 9 erfolgt.
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Der
Mantel 2 ist beispielsweise als Metallband ausgebildet.
Er kann aber auch aus einem Kompositwerkstoff hergestellt sein,
wobei zumindest der Teil des Mantels aus Metall sein sollte, der
mit der Materialbahn 7 in Kontakt kommt. Es ist auch denkbar,
den Mantel aus mehreren Schichten herzustellen, wobei beispielsweise
die innerste und die äußerste Schicht aus Metall
sind und dazwischen eine Schicht zur Schwingungsübertragung
angeordnet ist.
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Der
Mantel 2 wird über Leitwalzen 10 umlaufend
geführt, wobei in dem vom Mantel 2 umgebenen Raum
ein Träger 11 angeordnet ist, an dem eine Ultraschallerzeugungseinheit 12 befestigt
ist. Die Ultraschallerzeugungseinheit 12 weist einen Konverter 13 und
eine Sonotrode 14 auf, wobei die Sonotrode 14 zwischen
Konverter 13 und Mantel 2 angeordnet ist. Zwischen
Sonotrode 14 und Mantel 2 befindet sich ein Schmiermedium 15.
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Die
Bewegungsrichtung des Mantels 2 wird durch einen Pfeil 15 gekennzeichnet.
An der Innenseite 3 des Mantels 2 ist in Bewegungsrichtung
des Mantels 2 hinter der Sonotrode 14 eine Ölabsaugvorrichtung 16 vorgesehen.
An der Außenseite 4 des Mantels 2 ist
eine Reinigungsvorrichtung 17 angeordnet. Diese ist bei
diesem Ausführungsbeispiel als Schaber ausgebildet. In
Bewegungsrichtung des Mantels 2 vor dem Nip 6 ist
eine Heizvorrichtung 18 vorgesehen, die den Mantel 2 induktiv
erwärmt.
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Eine
fiktive Rotationsachse des Mantels 2 ist senkrecht zur
Zeichenebene und dabei im Wesentlichen parallel zur axialen Erstreckung
der Leitwalzen 10. Diese können einstellbar ausgebildet
sein, wobei durch eine Schrägstellung der Leitwalzen 10,
also durch einen Winkelver satz in Bezug zur Rotationsachse des Mantels 2,
eine Beeinflussung des Bahnlaufs erfolgen kann. Der Mantel 2 in 1 stellt
ein umlaufendes Element dar. Zwischen der Sonotrode 14 und
der Innenseite 3 des Mantels 2 bildet sich eine Prozesszone 19 aus.
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In 2 wird
durch den umlaufenden Mantel 2 ein rotierendes Element
gebildet. Der Träger 11 erstreckt sich dabei parallel
zur Rotationsachse des Mantels 2. Zusätzlich zu
den Leitzwalzen sind noch Führungsleisten 20 vorgesehen,
die zur axialen Führung des Mantels 2 dienen.
Die übrigen Elemente entsprechen der Ausführungsform
gemäß 1 und sind mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Die
Materialbahn 7 wird in Bewegungsrichtung 8 mit
einer definierten Bahnlaufgeschwindigkeit durch den Nip 6 der
Kalandriervorrichtung 1 bewegt. Die Umlaufgeschwindigkeit
des Mantels 2 und des Gegendruckelements 5 entspricht
dabei der Bahnlaufgeschwindigkeit der Materialbahn 7. Im
Bereich des Nips wird das umlaufende oder rotierende Element, das
in 1 als Metallband und in 2 als Metallmantel
ausgebildet ist und allgemein als Mantel 2 bezeichnet wird,
an der Ultraschallerzeugungseinheit 12 vorbeigeführt.
Der Konverter 13 der Ultraschallerzeugungseinheit 12 erzeugt
dabei Schwingungen mit einer Frequenz von mehr als 18 KHz, die über
die Sonotrode 14 zunächst auf die Innenseite 3 des
Mantels 2 übertragen werden. Dadurch wird der Mantel 2 in
der Prozesszone 19 zu Schwingungen angeregt, die zu einer
Differenzgeschwindigkeit zwischen Materialbahn 7 und Mantel 2 im
Bereich des Nips 6 führen. Dadurch wird ein Schlupf
zwischen der Außenseite 3 des Mantels 2 und
der Oberfläche der Materialbahn 7 hervorgerufen,
was zu einer Friktionsglättung der Materialbahn 7 führt.
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Durch
die Heizvorrichtung 18 erfolgt ein Erwärmen des
Mantels 2 auf 20 bis 300°C, wobei ein Bereich
zwischen 60 und 200°C bevorzugt wird.
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Die
Geschwindigkeit der Materialbahn 7 ist dabei nur so hoch,
dass die Materialbahn 7 etwa 1 ms bis 50 ms in der Prozesszone 19 verweilt.
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Werden
nun mehrere Ultraschallerzeugungseinheiten 12 quer zur
Rotationsachse des Mantels 2, also in Bewegungsrichtung 8 der
Materialbahn 7 nebeneinander angeordnet, kann die Prozesszone 19 vergrößert
werden und so die Materialbahn 7 mit einer größeren
Geschwindigkeit bewegt werden.
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In
die Zeichenebene hinein, also in Richtung der Rotationsachse des
Mantels 2, sind weitere Ultraschallerzeugungseinheiten 12 angeordnet,
so dass der Mantel 2 entlang der axialen Erstreckung des Nips 6 gleichmäßig
zu Schwingungen angeregt werden kann.
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Die
Länge der Prozesszone beträgt vorzugsweise zwischen
1 mm bis 1.000 mm. Die Materialbahn 7, die bei diesem Ausführungsbeispiel
als Papierbahn ausgebildet ist, weist eine Feuchte zwischen 2 und
15% auf. Die Behand lung einer Papier- oder Kartonbahn ist ein bevorzugtes
Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung.
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Die
Sonotrode 14 der Ultraschallerzeugungseinheit 12 kann
aus Metall, vorzugsweise einer Stahl- oder Stahllegierung sowie
aus Aluminium oder Titanlegierungen hergestellt sein. Denkbar sind
aber auch Kompositmaterialien oder gesinterte Metallkörper.
Die Oberfläche der Sonotrode sollte eine Rauhigkeit von
weniger als 0,1 μm aufweisen.
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Der
Mantel 2 sollte an seiner Innenseite 3 ebenfalls
eine Rauhigkeit von weniger als 0,1 μm aufweisen.
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Es
ist eine Ausgestaltung denkbar, bei der der Mantel 2 mit
einem Innendruck beaufschlagt werden kann, der über dem
atmosphärischen Umgebungsdruck liegt. Der Überdruck
kann beispielsweise zwischen 0,1 bis 5 bar betragen.
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Die
Länge des Nips 6 zwischen Mantel 2 und Gegendruckelement 5 wird
durch die Länge festgelegt, in der der Mantel 2 das
Gegendruckelement 5 umschlingt. Die Länge des
Nips sollte etwa 1 bis 1.000 mm betragen, wobei 10 bis 500 mm vorteilhaft sind.
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Die
Schwingungen der Sonotrode 14 werden durch das Schmiermittel
auf den Mantel 2 übertragen. Dabei erfolgt kein
Kontakt zwischen der Sonotrode 14 und der Innenseite 3 des
Mantels 2. Die Schwingungsdauer sollte etwa 0,5 ms bis
500 ms andauern. Bei einer Ausbildung der Sonotrode 14 als Rollsonotrode
steht die Walze der Rollsonotrode immer im Kontakt mit dem Mantel 2.
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Zur
Erzeugung eines Tilts, also einer Verschiebung einer Presskurve,
können die Ultraschalleinheiten 12 bzw. zumindest
die Sonotrode 14 schwenkbar ausgestaltet sein. Die Verschwenkung kann
dabei beispielsweise hydraulisch erfolgen. Andere Antriebe sind
aber ebenfalls denkbar.
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Zur
Verbesserung des Glättergebnisses kann in Bahnlaufrichtung 8 vor
der Kalandriervorrichtung 1 auch ein Dampf oder Düsenfeuchter
angeordnet sein, mit dem der Feuchtigkeitsgehalt der Materialbahn 7 eingestellt
werden kann. Die auf die Warenbahn aufgetragene Flüssigkeitsmenge
sollte zwischen 2 g/m2 und 10 g/m2 liegen. Dabei kann zur Profilierung der
Materialbahn auch eine externe Profilierungseinrichtung verwendet
werden.
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Zur
Profilierung und zur Erzeugung von Glanz, Glätte und Volumen
der faserförmigen Materialbahn werden insbesondere die
Parameter Schwingungsamplitude, Schwingungsfrequenz, Anpresskraft
der Sonotroden, Temperatur des Gegendruckelements bzw. des Mantels
sowie die Bahngeschwindigkeit der Materialbahn 7 variiert.
Zusätzlich kann auch eine Differenzgeschwindigkeit zwischen
dem Mantel 2 und der Materialbahn 7 erzeugt werden.
Dafür wird mindestens eine Leitwalze 10 mit einem Torque-Motor
versehen, der mit einer Frequenz zwischen 100 und 1.000 Hz angesteuert
wird. Dies führt dazu, dass der Mantel 2 in eine
Schwingung versetzt wird, die die an sonsten konstante Bewegung des Mantels 2 überlagert.
Dadurch wird eine Differenzgeschwindigkeit zwischen dem Mantel 2 und
der Materialbahn 7 erzeugt. Denkbar ist auch, das Gegendruckelement 5 ebenfalls
zu Schwingungen anzuregen.
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Das
Gegendruckelement 5 ist bei diesen Ausführungsbeispielen
als Walze ausgebildet. Es kann aber ebenfalls durch einen umlaufenden
Mantel, also durch ein Metallband gebildet werden, das über
Leitwalzen geführt ist. Der Nip 6 wird dadurch entsprechend
größer. Weitere Ausbildungen sind ebenfalls denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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