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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung
keramischer Folien.
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Zur
industriellen Herstellung großflächiger, dünner
keramischer Bauteile findet das Foliengießverfahren Anwendung.
Dies ist beschrieben z. B. im Kapitel 4.1.3 „Urformgebung",
Abschnitt „Foliengießen" des „Brevier
Technische Keramik" des Verbandes der keramischen Industrie e.V.-Informationszentrum
Technische Keramik-, Selb, 15. November 2003 und hier in 1 dargestellt.
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Als
Gießmasse dient ein keramischer Schlicker (Suspension)
mit verschiedenen organischen Zusätzen.
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Der
kontinuierlich aus einem Reservoir durch einen von einem Abstreicher,
(in der Fachsprache „Doctor-Blade" genannt) einstellbaren
Gieß-Spalt auf ein endloses Band auslaufende flüssige
Schlicker wird als Schicht auf ein Trägermedium aufgetragen und
anschließend durch Trocknung verfestigt. So entsteht der
sog. Grünkörper (bzw. die Grünfolie), eine
selbsttragende flexible, weiterbearbeitbare Keramikfolie, die schlussendlich
gebrannt werden kann.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist derjenige Teil des Herstellungsprozesses
keramischer Folien, der das Schlicker-Gießen und Verfestigen
der gegossenen Folie umfasst.
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Die
Einstellung des Gieß-Spaltes durch die Doctor-Blade, die
in empirischen Versuchen ermittelt wird, ist dabei sehr schwierig
und erfordert große Erfahrung, denn die Dicke des auslaufenden
Schlickers hinter der Doctor-Blade hängt neben der Gießspalt-Höhe
auch von anderen Parametern ab, wie z. B. Füllhöhe
im Reservoir, Feststoffgehalt, Viskosität und Scherverhalten
des Schlickers, Bandgeschwindigkeit usw.
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Die
Trocknung des aufgetragenen Schlickers erfolgt beim konventionellen
Verfestigungsprozeß durch Verdampfen der Lösungsmittel
unter Zufuhr von Luft, Wärme und/oder Infrarotstrahlung.
Dies erfordert neben einem beträchtlichen Energieaufwand (z.
T. über 100 kW) lange Trocknungszeiten im Bereich von mehreren
Minuten bis hin zu einer halben Stunde. Wegen der kontinuierlichen
Bandfertigung müssen die konventionellen Trocknungsanlagen
daher eine große Länge aufweisen.
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Da
mit dem Trocknungsprozeß außerdem ein Schrumpfen
der Folie verbunden ist, besteht die Gefahr von Rissbildung.
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Darüber
hinaus werden große Mengen organischer Lösungsmittel
frei, die nicht nur explosiv sind, sondern auch aufwändig
rückgewonnen oder umweltgerecht entsorgt werden müssen.
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Es
sind Laborversuche bekannt geworden, die insbesondere darauf zielten,
die o. g. Nachteile des konventionellen Verfestigungsprozesses durch Trocknung
zu überwinden:
Z. B. ist aus: Griffith, L
und Halloran, John W.: „Ultraviolet Curing of Highly Loaded
Ceramic Suspensions for Stereolithography of Ceramics", veröffentlicht
im Tagungsband: „Solid Freeform Fabrication Proceedings",
The University of Texas at Austin, September 1994 S. 396-403 bekannt,
Folien aus speziell entwickeltem, mit Photoinitiatoren dotiertem
Keramik-Schlicker auf Polymerbasis (zumindest weitestgehend ohne
Lösungsmittel) auf eine (feststehende) Glasscheibe aufzutragen
und durch UV-Belichtung zu einer flexiblen, selbsttragenden Folie
zu vernetzen.
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An
dieser Stelle ist anzumerken, dass beim eingangs beschriebenen traditionellen
Herstellungsverfahren mit Schlickern auf Lösungsmittelbasis, beim
Verfestigungsprozess üblicherweise von einem Trocknungsvorgang
gesprochen wird, während es sich beim Verfestigungsprozess
durch UV- Belichtung um einen Vernetzungsvorgang handelt. Beide Begriffe
werden hier insoweit zwar getrennt, dem jeweiligen Verfahren zugeordnet,
verwendet, soweit dies möglich ist, es ist jedoch klar,
dass sie im allgemeinen Zusammenhang synonym zu verstehen sind,
beispielsweise wird landläufig auch bei einer durch UV-Belichteten
vernetzten flexiblen, selbsttragenden Keramikfolie von einer „trockenen"
Folie gesprochen. Im Englischen wird für beide Begriffe
einzig das Wort „cure" verwendet.
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Für
die UV-Belichtung im o. g. Stand der Technik werden Hochdruck-Quecksilber-Bogenlampen
mit einem breitbandigen Spektrum von ca. 230 bis ca. 430 nm mit
mehreren Peaks eingesetzt, vgl. 10. Die
Folie wird bis zu ca.10 s mit einer Strahlungsintensität
von ca. 2,5 W/cm2 belichtet. Die Materialstärke
der Folie ist wegen der erreichbaren Eindringtiefe der UV-Strahlung
begrenzt und nimmt mit zunehmender Konzentration und Dichte des
Festkörperanteils ab (auf ca. 330 μm im angestrebten
Bereich höherer Feststoffgehalte).
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Ein
Muster konnte erzeugt werden, indem durch partielle Abdeckung mit
einer Maske nur Teilbereiche der Folie belichtet wurden.
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Die wissenschaftliche Fachveröffentlichung:
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Smith,
Deborah, J. et.al.: "UV-Curable System for Ceramic Tape Casting",
veröffentlicht im Tagungsband des IEEE 7th International
Symposiums: „Applications of Ferroelectrics", Urbana-Champain, IL,
USA, Juni 1990, S. 426–428, beschäftigt
sich insbesondere mit dem Verhalten verschiedener Schlicker-Kompositionen.
Diese werden mit Doctor-Blade-Technik auf eine feststehende Glasscheibe
ausgebracht und anschließend UV-belichtet, wobei zur Erzielung
von Mustern eine Maske für partielle Abdeckung verwendet
wurde. Als UV-Quelle dient eine Quecksilber/Xenon Hochdrucklampe.
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Eine
Zusammenfassung des aus dem Stand der Technik Bekannten gibt das
Buch: Mistler, Richard E., Twiname, Eric R.: „Tape
Casting, Theory and Practice, Hrsg. American Ceramic Society, Westerville,
Ohio, USA, 2000, S. 124–126. In dieser Quelle
wird – ohne näher auf Einzelheiten einzugehen, pauschal
ein kurzer Hinweis darauf gegeben, dass auch dem Verfestigungsvorgang
durch UV-Belichtung ein üblicher, konventioneller Gießvorgang
vorausgehen kann, was der Fachmann als Hinweis auf einen Fließband-Gießvorgang üblicher
Art (unter Verwendung einer Doctor-Blade) interpretiert.
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Von
diesem Stand der Technik ausgehend, liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, den Gieß- und Verfestigungsprozeß auf
die Besonderheiten und Möglichkeiten der UV-Belichtung hin
anzupassen und zu optimieren.
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Diese
Aufgabe wird von einem Verfahren sowie von einer Vorrichtung zur
Herstellung von keramischen Folien mit den Merkmalen der selbständigen Ansprüche
gelöst.
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Die
Lösung der Aufgabe gemäß dem Verfahrensanspruch
1 sowie dem inhaltsgleichen Vorrichtungsanspruch 13 macht sich die – isoliert
für sich bereits aus o. g. Forschungsberichten bekannte – Erkenntnis
zunutze, dass es durch Belichtung nur von Teilen der keramischen
Folie möglich ist, nur diese Teile zu vernetzen und zu
verfestigen. Die von der Maske abgedeckten und unvernetzt gebliebenen
Flächenteile können anschließend ausgewaschen
werden, so dass es möglich ist, Muster z. B. für
Durchkontaktierungen usw. zu erzeugen.
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Beim
konventionellen Trocknungsvorgang ist es nicht möglich,
nur Flächenteile der keramischen Folie zu trocknen.
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Dadurch
dass die Maske erfindungsgemäß entweder als synchron
mitlaufender Endlosfilm ausgebildet ist, oder als starre, getaktet
hin- und herbewegte Maske, deren Bewegung in Bandlaufrichtung synchron
mit der Trägerfolie erfolgt, wird es möglich, Muster
auch am Fließband herzustellen.
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Die
vorteilhaften Ausgestaltungen gemäß dem Verfahrensanspruch
2 sowie dem inhaltsgleichen Vorrichtungsanspruch 14 machen sich
die Erkenntnis zu nutze, dass, im Gegensatz zum herkömmlichen
Trocknungsverfahren, das Transportband aufgrund der bei UV-Belichtung
nur kurzen für die Verfestigung erforderlichen Zeit währenddessen nur
einen kleinen Weg zurücklegt. Verwendet man zur Einstellung
der definierten Stärke (Dicke) des flüssigen Schlickers
anstelle einer Doctor-Blade eine Abdeckung, die UV-durchlässig
ist und belichtet durch diese Abdeckung hindurch, so verlässt
die gegossene Keramikfolie den abgedeckten Bereich bereits als feste
Folie. Der flüssige Schlicker hat also, anders als bei
Verwendung einer Doctor-Blade, nicht die Möglichkeit, sich
aufgrund sekundärer Einflüsse wie Viskosität,
Füllhöhe des Reservoirs usw. zu einer dickeren
oder dünneren Stärke zu entwickeln, als gewünscht.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Ausgestaltungen gemäß dem
Verfahrensanspruch 2 sind in den Ansprüchen 3 bis 6, der
Ausgestaltungen gemäß dem Vorrichtungsanspruch
14 in den Ansprüchen 15 bis 18 gekennzeichnet.
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Die
Abdeckung kann bevorzugt aus einer festen Platte bestehen.
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Ebenso
vorteilhaft kann die Abdeckung aus einer straff gespannten, synchron
mit der Trägerfolie mitlaufenden Abdeckfolie bestehen,
oder aus einer unter einer feststehenden Platte synchron mit der Trägerfolie
mitlaufenden Abdeckfolie. Im letztgenannten Fall braucht die Abdeckfolie
nicht gespannt zu sein.
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Als
Werkstoff für die Abdeckfolie wird vorteilhafterweise eine
Kunststoff-Folie aus Polyethylen aller möglichen Typen
(PE-HD, PE-LD, PE-LLD, PE-HMW, PE-UHMW, PE-X) oder aus Polyethylenterephthalat
(PET) verwendet.
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Die
vorteilhaften Ausgestaltungen gemäß dem Verfahrensanspruch
7 sowie dem inhaltsgleichen Vorrichtungsanspruch 19 beruht auf der
Erkenntnis, dass mit den im o. g. Stand der Technik zur Vernetzung
ausschließlich verwendeten Quecksilber-UV-Hochdrucklampen
zwar die eingangs erläuterten Nachteile des bisher industriell
ausschließlich verwandten konventionellen Wärme-Trocknungsverfahrens
vermieden werden können, damit aber andere Nachteile verbunden
sind: Quecksilber-UV-Lampen emittieren elektromagnetische Strahlung,
erzeugen Ozon, und enthalten giftiges Quecksilber. Darüber
hinaus benötigen sie eine Aufwärmzeit, so dass Pulsbetrieb
nicht möglich ist. Anschaffungskosten- und Wartungsaufwand
aufgrund beschränkter Lebensdauer der Lichtquelle (200–2.000
h) und erforderlicher Reinigungsarbeiten z. B. der Reflektoren sind
nicht unerheblich.
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Aus
der Internet-Homepage der US-amerikanischen Firma Phoseon (www.phoseon.com),
insbesondere aus der Seite „www.phoseon.com/applications/rx_uv_light_system"
vom 10.04.2007 ist es zwar für sich bekannt, Quecksilber-UV-Lampen durch
UV-Quellen auf Halbleiterbasis zu ersetzen, um deren Nachteile zu
vermeiden. Als Anwendungsbeispiele werden z. B. genannt: Vernetzen
von Klarlacken (Schutzlacken), Tinten, Klebern. Auch Anwendungen
in der Lithographie und im medizinischen Bereich zur Abtötung
von Mikroorganismen werden angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung von Halbleiter-UV-Quellen
zur Herstellung keramischer Folien ist jedoch nicht benannt.
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Da
bei UV-Strahlung nämlich grundsätzlich das Problem
nur geringer Eindringtiefe in Suspensionen mit Keramik- oder/und
Metallpartikeln im benötigten höheren Konzentrationsbereich
besteht, wie bereits in den o. g. Forschungsberichten festgestellt wurde,
ist die Anwendung von UV-Strahlung zur Herstellung von Keramikfolien
bislang auf Labormaßstab bei Verwendung von Quecksilber-Hochdrucklampen beschränkt,
so dass die Anwendung von Halbleiter-UV-Quellen noch gar nicht in
Erwägung gezogen wurde.
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Bei
Verwendung von Halbleiter-UV-Quellen werden die o. g. Nachteile
von Quecksilber-UV-Hochdrucklampen vermieden: UV-Quellen auf Halbleiterbasis
sind hinsichtlich ihrer Anschaffungskosten preisgünstiger
und haben eine wesentlich höhere, etwa 5 bis 10-fache Lebensdauer
sowie Wartungsfreiheit (keine Reinigungsarbeiten erforderlich).
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Bei
bis zu 80% niedrigerer Wärmeentwicklung ist ihr Energieverbrauch
um bis zu 75% geringer.
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Aufgrund
gleichmäßigerer Strahlungsintensität über
die Lebensdauer sowie über die bestrahlte Fläche
ist keine Nachjustierung (Prozeßparametereinstellung) erforderlich.
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Aufgrund
geringerer Wärmeeinwirkung auf die Keramikfolie während
des Vernetzungsvorganges wird nochmals verbessertes Schrumpfungs-Rissverhalten
erreicht.
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Das
abgestrahlte Lichtspektrum ist schmalbandig mit nur einem Peak,
somit wird nur im für die Vernetzung maßgebenden
Wellenlängenbereich abgestrahlt.
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Da
keine elektromagnetische Strahlung abgegeben wird, keine Ozonbildung
erfolgt und kein Quecksilber für die UV-Quelle benötigt
wird ist eine bessere Umweltverträglichkeit gegeben.
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Durch
sofortige Einsatzbereitschaft ohne Aufwärmzeit ist Pulsbetrieb
möglich.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der vorteilhaften Ausgestaltungen gemäß dem
Verfahrensanspruch 7 sind in den Unteransprüchen 8 bis
10, gemäß dem sinngleichen Vorrichtungsanspruch
19 in den Unteransprüchen 20 bis 22 gekennzeichnet
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Die
Halbleiter-UV-Quelle besteht vorteilhaft aus einer Vielzahl linienförmig
oder flächig angebrachten UV-LEDs.
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Bevorzugt
erfolgt die Belichtung mit einem schmalbandigen Peak innerhalb eines
Wellenlängen-Bereich zwischen 200 und 450 nm.
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Vorteilhaft
ist gepulste Belichtung.
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Besonders
günstig ist es, wenn, wie in den Ansprüchen 11
und 23 gekennzeichnet, auch der die Keramik-Folie tragende Untergrund
UV-durchlässig ausgebildet ist. So ist doppelseitige Belichtung
der Folie möglich und es kann bei gleicher Eindringtiefe der
UV-Strahlung der Vorteil eines größeren vernetzten
Querschnitts erreicht werden.
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Als
Werkstoff für die Trägerfolie wird gemäß den
Ansprüchen 12 und 24 vorteilhafterweise eine Kunststoff-Folie
aus Polyethylen aller möglichen Typen (PE-HD, PE-LD, PE-LLD,
PE-HMW, PE-UHMW, PE-X) oder aus Polyethylenterephthalat (PET) verwendet.
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Weitere
Vorteile sowie Einzelheiten der Erfindung werden aus nachfolgender
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand einer Zeichnung
ersichtlich.
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Es
zeigen:
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1:
Eine Prinzipskizze des industriellen Herstellungsverfahrens keramischer
Folien nach dem Stand der Technik.
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2:
Eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung
einer erfindungsgemäßen Dicken-Einstellvorrichtung
des flüssigen Schlickers.
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3:
Eine zweite Ausführungsform der Dicken-Einstellvorrichtung
des Schlickers.
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4:
Eine dritte Ausführungsform der Dicken-Einstellvorrichtung
des Schlickers.
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5:
Eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung
einer erfindungsgemäßen starren Maske.
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6:
Eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung
eines erfindungsgemäßen Endlosfilms als Maske.
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7:
Eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung
eines Endlosfilms als Maske in Verbindung mit der zweiten Ausführungsform
der Dicken-Einstellvorrichtung des Schlickers als beispielhafte
Kombination
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8a, 8b:
Zwei beispielhafte Möglichkeiten der Anordnung der UV-LEDs
bei Verwendung der erfindungsgemäßen Halbleiter-UV-Quelle
zur Belichtung.
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9a, 9b:
Eine Prinzipdarstellung des Vernetzungsvorganges bei UV-Belichtung.
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10:
Abstrahlungs-Spektren von Quecksilber-Bogenlampe und Halbleiter
UV-Quelle.
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Bei
dem in 1 anhand einer Prinzipskizze dargestellten industriellen
Herstellungsverfahren keramischer Folien nach dem Stand der Technik
läuft ein endloses Transportband 3 über
eine Antriebsrolle 1 und eine Umlenkrolle 2 ab.
Zur Oberseite des Transportbandes 3 wird eine Trägerfolie 4 zugeführt und
auf das Transportband 3 aufgelegt. Transportband 3 und
Trägerfolie 4 laufen unter einem nach unten offenen
Reservoir 6 ab, das mit dem sog. Schlicker 5 gefüllt
ist. Schlicker sind fließfähige keramische Suspensionen
mit verschiedenen organischen Zusätzen: Feststoffe (Keramik),
Binder, Plastifizierer, Dispergatoren. Für konventionelles
Foliengießen nach dem Stand der Technik verwendete Schlicker enthalten
darüber hinaus noch für den Gießvorgang benötigte
organische Lösemittel (bis zu 50 Vol%), die nach dem Formgebungsprozeß des
Gießens wieder durch Verdampfung entfernt werden müssen.
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Mittels
eines über eine Höheneinstellung 8 verstellbaren
Abstreichers 7 (in der Fachsprache als „Doctor
Blade" bezeichnet) wird die Größe eines Spaltes 9 eingestellt,
durch den der auf das Band auslaufende Schlicker in definierter
Stärke auf die Trägerfolie aufgetragen wird.
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Nach
diesem Auftrag durchläuft der Schlicker-Film in einer Trockenstrecke 10 einen
Trocknungsprozeß. In die Trockenstrecke 10, die
bis zu 30 m Länge aufweisen kann, wird üblicherweise
im Gegenstrom über einen Zulufteintritt 11 Warmluft
eingeblasen, mit deren Hilfe die Lösungsmittel aus dem Schlicker
ausgetrieben werden. Die Lösungsmittel gesättigte
Abluft wird über einen Abluftaustritt 12 abgesaugt.
Die in 1 gezeigte Trockenstrecke 10 kann bei
den heute bekannten Anlagen nur aus einer, aber auch aus mehreren
Zonen bestehen, in denen IR-Strahlung, Kontaktwärme und
beheizbarer Luft einzeln oder in beliebiger Kombination zur Trocknung eingesetzt
wird.
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Die
trockene, flexible und selbsttragende sog. Grünfolie 13 kann
danach aufgewickelt oder gleich weiterverarbeitet werden.
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Beim
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren, das in 2 beispielhaft
dargestellt ist, wird die Vorrichtung zur Einstellung der definierten
Stärke des auf die Trägerfolie 4 auslaufenden
flüssigen Schlickers 5 durch eine Abdeckung 14 gebildet,
die planparallel zur Trägerfolie 4, und einer
diese tragenden Unterplatte 15 verläuft.
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Die
Trägerfolie 4 ist eine an der mit dem Schlicker
in Berührung kommenden Seite mit Silikon beschichtete,
UV-durchlässige Kunststoff-Folie, die gleichzeitig das
Förderband bildet. Als Werkstoff für die Kunststoff-Folie
kommt in Frage: Polyethylen (in allen Typen: PE-HD, PE-LD, PE-LLD,
PE-HMW, PE-UHMW, PE-X) oder Polyethylenterephthalat (PET).
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Die
Trägerfolie 4 wird von einer Abwickelrolle 16 abgewickelt
und auf eine Aufwickelrolle 17 aufgewickelt.
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Die
das Reservoir in Prozeßrichtung begrenzende Wand 18 des
Reservoirs 6 ist unten offen, so dass der Schlicker auslaufen
kann. Die Abdeckung 14 ist gemäß der
hier dargestellten Ausführungsform als einstückig
mit der Wand 18 ausgebildete Platte 19 vorgesehen,
wobei die beiden Schmalseiten der Wand dann gleitbeweglich abgedichtet
an den beiden Seitenwänden des Reservoirs geführt werden.
Es kann aber auch die Platte 19 abgedichtet gleitbeweglich
an der Wand 18 geführt sein. Mittels einer fest
mit der Platte 19 verbundenen Höheneinstelleinrichtung 8 ist
die Abdeckung 14 in ihrem Abstand zur Trägerfolie 4 einstellbar.
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Die
Platte 19 ist entweder vollständig aus UV-durchlässigem
Material, beispielsweise aus Glas oder Kunststoff, oder weist zumindest
im Belichtungsbereich eine obere Zone 20 aus UV-durchlässigem
Material auf. Über der Abdeckung 14 ist eine UV-Quelle 21 derart
angeordnet, dass diese durch die obere Zone 20 hindurch
die Keramikfolie belichten kann.
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Um
den vernetzten Querschnitt zu verdoppeln, ist eine doppelseitige
Belichtung vorgesehen. Dazu ist auch die Unterplatte 15 zumindest
in einer unteren Zone 22 UV-durchlässig ausgeführt.
An der Unterseite ist, der oberen UV-Quelle 21 gegenüberliegend,
eine weitere UV-Quelle 21 angebracht.
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Durch
doppelseitige Belichtung sind doppelt so dicke keramische Folien
herstellbar, wie bei nur einseitiger Belichtung.
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Durch
Abstimmung der Bandlaufgeschwindigkeit mit der Erstreckung des belichteten
Bereiches kann die erforderliche Belichtungszeit realisiert werden.
Aufgrund der nur im Sekundenbereich liegenden, für die
Vernetzung erforderlichen Belichtungszeit erfordert der gesamte
Trocknungs- bzw. Vernetzungsprozeß nur eine kleine Transportband-Länge, wie
aus 2 ersichtlich.
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Den
höhenmäßig genau fixierten Bereich unter
der Abdeckung 14 verlässt eine feste, wegen der Verfestigung
durch UV-Vernetzung überdies schrumpfungs- und rissfreie
keramische Folie von absolut konstanter Stärke, die aufgrund
der dargestellten, erfindungsgemäßen Einstellung
der definierten Stärke unabhängig ist von Einflußparametern
wie Eigenschaften des Schlickers selbst (Viskosität, Scherverhalten,
Festkörperkonzentration) und sonstigen Rahmenbedingungen
(z. B. Füllhöhe des Schlickers im Reservoir).
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In 3 ist
eine alternative Ausführungsform zur Einstellung der Stärke
der keramischen Folie dargestellt. Die Abdeckung, deren einstellbarer
Abstand zum Untergrund die Stärke der keramischen Folie definiert,
besteht aus einer straff gespannten und synchron mit der Trägerfolie 4 mitlaufenden
Abdeckfolie 23. Als Abdeckfolie 23 ist ebenfalls
eine einseitig mit Silikon beschichtete und UV-durchlässige
Kunststoff-Folie aus denselben möglichen Werkstoffen, wie
bei der Trägerfolie 4 beschrieben, vorgesehen. Die
Abdeckfolie 23 wird von einer Abdeckfolien-Abwickelrolle 24 abgewickelt
und auf eine Abdeckfolien-Aufwickelrolle 25 aufgewickelt.
Dazwischen läuft die Abdeckfolie über eine vordere
Einstellungsrolle 26 und eine hintere Einstellungsrolle 27 ab,
die in ihrer Höhe jeweils mittels einer Höheneinstellung 8 einstellbar
sind. Über die synchrone Einstellung dieser beiden Rollen
kann die Stärke der keramischen Folie vorgegeben werden.
Es ist dabei unerheblich, ob zwischen der hier schräg stehend
ausgebildeten Wand 18 des Reservoirs 6 und der
Einlaufstrecke der Folie 23 eine Abdichtung vorgesehen
ist oder nicht, weshalb dieses Detail in der eine Prinzipskizze
darstellenden Figur nicht näher ausgeführt ist.
Ist keine Abdichtung vorgesehen, kann sich hier allenfalls ein kleiner
Wulst des flüssigen Schlickers ausbilden.
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Die
Belichtung erfolgt genauso wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel
bereits erläutert.
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4 zeigt
eine weitere alternative Einstellungsmöglichkeit der Stärke
der keramischen Folie. Genau wie beim vorangehend erläuterten
Ausführungsbeispiel ist eine Abdeckfolie 23 vorgesehen. Diese
wird jedoch unter einer UV-durchlässigen, Dickeneinstellungsplatte 28 (aus
Glas oder Kunststoff) hindurchgeführt, die mit der Höheneinstellung 8 fest verbunden
ist. Dadurch braucht die Abdeckfolie 23 nicht straff gespannt
zu sein. Außerdem ist bei dieser Art der Dickeneinstellung
der Keramikfolie lediglich eine Vorrichtung zur Höheneinstellung 8 erforderlich gegenüber
zweien beim vorherigen Ausführungsbeispiel.
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Die
bei UV-Belichtung gegebene Möglichkeit, nur bestimmte Flächenteile
der keramischen Folie zu belichten und zu verfestigen wird für
den Fließbandprozess im Folgenden anhand der 5 bis 7 dargestellt.
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Hierzu
ist anzumerken, dass diese Möglichkeit unabhängig
von der Art der Einstellung der Stärke der keramischen
Folie ist. Diese kann, wie in 5 dargestellt,
nach konventioneller Methode mittels Abstreicher 7 (Doctor-Blade)
erfolgen, oder aber auch nach einer anderen beliebigen Methode.
Beispielhaft ist in 7, worauf später noch
eingegangen wird, die Stärkeneinstellung der Keramikfolie
mittels straff gespannter Abdeckfolie dargestellt. Die Stärkeneinstellung
kann aber auch mittels der Methoden erfolgen, wie sie in den 2 oder 4 offenbart
sind.
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Gemäß 5 ist
zur Abdeckung nicht zu belichtender Flächenteile eine starre
Maske 30 vorgesehen. Dies kann eine Schablone oder eine
photografische Maske sein. Dabei wird das Transportband getaktet
betrieben. Der Ablauf ist folgender: Die Maske 30 steht
in einer Anfangsposition a. Transportband und Maske 30 werden
synchron angetrieben, unter der UV-Quelle erfolgt die Belichtung
durch die Maske 30 hindurch, bis die gesamte Maske 30 und
die von ihr abgedeckte Zone der keramischen Folie den mit Pfeilen
angedeuteten Belichtungsbereich verlassen hat und die Maske 30 in
der Endposition b angelangt ist. Danach stoppt das Transportband
und die Maske 30 wird schnell in ihre Anfangsposition a
zurückverfahren. Danach beginnt der beschriebene Vorgang von
neuem. In der Auswaschstation 31 schließlich werden
die nicht vernetzten Teile der keramischen Folie ausgewaschen.
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Alternativ
kann das Transportband kontinuierlich betrieben werden, während
nur die Maske, wie vorstehend beschrieben, hin und her bewegt wird.
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Wird
zur Belichtung eine UV-Halbleiterquelle verwendet, so kann diese
während des Zurückfahrens der Maske abgeschaltet
werden. Der in diesem Zeitraum weiterbewegte, aber nicht belichtete
Schlicker vernetzt deshalb nicht und kann bei Bedarf aufgefangen
und wieder verwendet werden.
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Der
Einfachheit halber ist das Belichtungsverfahren in 5 nur
als einseitiges Belichtungsverfahren dargestellt. Es ist jedoch
klar, dass auch die vorhergehend beschriebene doppelseitige Belichtung
möglich ist, wenn neben der zweiten, unten angeordneten
UV-Quelle, auch eine zweite, unten angeordnete starre Maske 30 vorgesehen
wird, die synchron zur ersten bewegt wird.
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Alternativ
kann die nur teilflächige Belichtung der keramischen Folie
auch mittels eines umlaufenden Endlosfilmes 33 realisiert
werden, wie in 6 gezeigt. Der entsprechend
belichtete Endlosfilm 33 läuft über Umlaufrollen 32 kontinuierlich
und mit synchroner Geschwindigkeit wie das Transportband ab.
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Auch
hier ist eine doppelseitige Belichtung möglich, wenn auch
unterhalb des Transportbandes ein gleicher Endlosfilm synchron abläuft.
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In 7 findet
sich eine Kombination des Belichtungsverfahrens von Teilflächen
gemäß 6 mit dem Verfahren zum Einstellen
der Stärke der keramischen Folie gemäß 3.
Dazu ist anzumerken, dass die straff gespannte Abdeckfolie gleichzeitig
die Funktion wahrnimmt, den Endlosfilm vor Verschmutzungen durch
den Schlicker zu schützen. Da bei theoretisch denkbarer
Verwendung des Endlosfilmes zur Einstellung der Stärke
der Keramikfolie nämlich zu befürchten wäre,
dass möglicherweise Schlicker-Partikel daran haften bleiben
und die Masken-Funktion zerstören.
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Auch
hier ist eine doppelseitige Belichtung möglich.
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Die
Belichtung der keramischen Folie erfolgt gemäß einer
weiteren erfindungsgemäßen Lösung durch
eine Halbleiter-UV-Quelle 35. Diese basiert auf einer Mehr-
oder Vielzahl linienförmig (8a) oder flächig
(8b) angeordneter einzelner leistungsstarker UV-LEDs 34 (Leuchtdioden),
von denen jede einzelne mit einer Optik versehen ist, die den Strahl bündelt
und richtet.
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Die
Halbleiter-UV-Quelle 35 kann als über die gesamte
Transportbandbreite gehender Array ausgebildet sein. Alternativ
können aber auch andere geometrische Formen, die mit einer
beliebigen Anzahl von UV-LEDs 34 bestückt sind,
Anwendung finden, z. B. quadratische, rundflächige, dreieckige
usw.
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Schlicker
für UV-Belichtung sind von anderer Zusammensetzung als
die beim thermischen Trocknungsverfahren verwendeten: Die Lösungsmittel
entfallen zumindest weitestgehend, neu hinzu kommen Photoinitiatoren,
die Binder sind andere. Die genaue Zusammensetzung der Schlicker
ist jedoch nicht Bestandteil der Erfindung.
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In
den 9a und 9b ist
der Vernetzungsprozess skizzenhaft dargestellt: Der flüssige Schlicker
enthält neben den Keramikpartikeln und anderen Hilfsstoffen
(wie Dispergatoren, Entschäumer usw.) Oligomere (O), Monomere
(M), und Photoinitiatoren (P), 9a. Unter
UV-Bestrahlung werden die Photoinitiatoren in freie Radikale gespalten.
Diese leiten eine Polymerisation ein. Im verfestigten Zustand besteht
die Keramikfolie aus vernetzten Polymerketten, 9b.
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In 10 sind
Emissionsspektren einer Quecksilber Bogenlampe und eines Beispiels
einer Halbleiter-UV-Quelle 35 (geschwärzt) dargestellt. Dasjenige
einer Quecksilber-Bogenlampe weist eine große Bandbreite
mit mehreren Peaks auf. Demgegenüber weist das Emissionsspektrum
einer erfindungsgemäß verwendeten Halbleiter-UV-Quelle 35 nur
einen Peak auf, die Halbleiter-UV-Quelle 35 strahlt nur
in einem schmalbandigen Wellenbereich ab, hier im Beispiel zwischen
ca. 390 nm 410 nm. Dadurch wird der Schlicker 5 nur mit
der zum Vernetzen benötigten Wellenlänge beaufschlagt.
Andere, unter Umständen störende UV-Wellenlängen
treten nicht auf.
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Bei
Halbleiter-UV-Quellen 35 ist überdies die Wellenlänge,
in der abgestrahlt wird, selektierbar. Lieferbar sind UV-LEDs 34,
die mit ca. 20 nm Bandbreite innerhalb eines wählbaren
Wellenlängen-Bereiches etwa von 200 nm bis 450 nm abstrahlen.
Da auch der aktive Bereich von Photoinitiatoren durch geänderte
chemische Zusammensetzung beeinflussbar ist, können zum
Vernetzen benötigte Wellenlänge und die Wellenlänge
der Halbleiter-UV-Quelle 35 gezielt aufeinander abgestimmt
werden.
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Da
UV-LEDs im Gegensatz zu UV-Lampen keine Aufwärmzeit benötigen
und extrem schnell reagieren, kann der Vernetzungsvorgang im Pulsbetrieb
erfolgen.
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Je
nach Material (keramischer Schlicker 5, aber auch Trägerfolie 4 – und/oder
Abdeckfolie 23) und gewünschter Eigenschaft kann
dadurch das Leistungsprofil materialspezifisch angepasst werden.
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Hohe
Leistung ist oftmals erwünscht, führt jedoch in
vielen Fällen zu Materialschädigungen. Durch den
Pulsbetrieb kann eine sehr hohe Leistungsdichte angewendet werden.
In der anschließenden Phase ohne UV-Strahlung kann das
Material wieder 'entspannen' und abkühlen um in der nächsten
Phase wieder mit sehr hoher Leistung beaufschlagt zu werden, ohne
dabei eine Schädigung zu erfahren.
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Der
Pulsbetrieb ermöglicht es, das Vernetzungsverhalten bei
Bedarf materialabhängig gezielt zu steuern und mit höheren
Intensitäten als im kontinuierlichen Betrieb zu arbeiten,
ohne dabei das Material (keramischer Schlicker 5, Trägerfolie 4,
Abdeckfolie 23) zu schädigen.
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- 1
- Antriebsrolle
- 2
- Umlenkrolle
- 3
- Förderband
- 4
- Trägerfolie
- 5
- Schlicker
- 6
- Reservoir
- 7
- Abstreicher
- 8
- Höheneinstellung
- 9
- Spalt
- 10
- Trockenstrecke
- 11
- Zulufteintritt
- 12
- Abluftaustritt
- 13
- Grünfolie
- 14
- Abdeckung
- 15
- Unterplatte
- 16
- Abwickelrolle
- 17
- Aufwickelrolle
- 18
- Wand
- 19
- Platte
- 20
- obere
Zone
- 21
- UV-Quelle
- 22
- untere
Zone
- 23
- Abdeckfolie
- 24
- Abdeckfolien-Abwickelrolle
- 25
- Abdeckfolien-Aufwickelrolle
- 26
- Vordere
Einstellungsrolle
- 27
- Hintere
Einstellungsrolle
- 28
- Dickeneinstellungsplatte
- 29
- Führungsrolle
- 30
- starre
Maske
- a
- Anfangsposition
- b
- Endposition
- 31
- Auswaschstation
- 32
- Umlaufrolle
- 33
- Endlosfilm
- 34
- UV-LED
- 35
- Halbleiter-UV-Quelle
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Brevier
Technische Keramik" des Verbandes der keramischen Industrie e.V.-Informationszentrum
Technische Keramik-, Selb, 15. November 2003 [0002]
- - Griffith, L und Halloran, John W.: „Ultraviolet Curing
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veröffentlicht im Tagungsband: „Solid Freeform
Fabrication Proceedings", The University of Texas at Austin, September
1994 S. 396-403 [0010]
- - Smith, Deborah, J. et.al.: "UV-Curable System for Ceramic
Tape Casting", veröffentlicht im Tagungsband des IEEE 7th
International Symposiums: „Applications of Ferroelectrics",
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- - Mistler, Richard E., Twiname, Eric R.: „Tape Casting,
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Ohio, USA, 2000, S. 124–126 [0015]
- - www.phoseon.com [0027]
- - www.phoseon.com/applications/rx_uv_light_system [0027]