DE102007063602B4

DE102007063602B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von keramischen Folien unter Verwendung einer Maske

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Publication number: DE102007063602B4
Application number: DE102007063602A
Authority: DE
Inventors: Rainer Ronniger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2027-04-26
Also published as: DE102007063602A1; WO2008131831A2; DE102007019438B3; DE102007063603A1; WO2008131831A3; DE102007063603B4

Abstract

Verfahren zur Herstellung von keramischen Folien,
– bei dem ein flüssiger Schlicker (5) aus einem Reservoir (6) flächig mit definierter, einstellbarer Stärke auf einen Untergrund aufgebracht wird, der eine kontinuierlich auf einer Unterplatte (15) ablaufende Trägerfolie (4) ist,
– bei dem der Schlicker danach einen Vernetzungsprozeß unter UV-Belichtung durchläuft, in welchem der Schlicker (5) zu einer trockenen Keramikfolie (Grünfolie 13) verarbeitet wird,
dadurch gekennzeichnet,
– dass die Belichtung nur auf Flächenteilen erfolgt, wobei nicht zu belichtende Flächenteile durch eine Maske (30) abgedeckt und anschließend ausgewaschen werden, und
– dass die Maske (30) entweder als umlaufender Endlosfilm (33) ausgebildet ist, und synchron mit der Trägerfolie (4) mitläuft, oder als starre Maske (30) ausgebildet ist, die getaktet hin- und herbewegt wird und in Bandlaufrichtung synchron mit der Trägerfolie (4) mitläuft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung keramischer Folien.
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.
Als Gießmasse dient ein keramischer Schlicker (Suspension) mit verschiedenen organischen Zusätzen.
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.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist derjenige Teil des Herstellungsprozesses keramischer Folien, der das Schlicker-Gießen und Verfestigen der gegossenen Folie umfasst.
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.
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.
Da mit dem Trocknungsprozeß außerdem ein Schrumpfen der Folie verbunden ist, besteht die Gefahr von Rissbildung.
Darüber hinaus werden große Mengen organischer Lösungsmittel frei, die nicht nur explosiv sind, sondern auch aufwändig rückgewonnen oder umweltgerecht entsorgt werden müssen.
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.
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.
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).
Ein Muster konnte erzeugt werden, indem durch partielle Abdeckung mit einer Maske nur Teilbereiche der Folie belichtet wurden.
Die wissenschaftliche Fachveröffentlichung:
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.
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.
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.
Diese Aufgabe wird von einem Verfahren sowie von einer Vorrichtung zur Herstellung von keramischen Folien mit den Merkmalen der selbständigen Ansprüche 1 und 8 gelöst.
Die Lösung der Aufgabe gemäß dem Verfahrensanspruch 1 sowie dem Vorrichtungsanspruch 8 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.
Beim konventionellen Trocknungsvorgang ist es nicht möglich, nur Flächenteile der keramischen Folie zu trocknen.
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.
Die vorteilhafte Ausgestaltung gemäß dem Verfahrensanspruch 2 sowie dem Vorrichtungsanspruch 9 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.
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.
Die Verwendung von Halbleiter-UV-Quellen zur Herstellung keramischer Folien ist jedoch nicht benannt.
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.
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).
Bei bis zu 80% niedrigerer Wärmeentwicklung ist ihr Energieverbrauch um bis zu 75% geringer.
Aufgrund gleichmäßigerer Strahlungsintensität über die Lebensdauer sowie über die bestrahlte Fläche ist keine Nachjustierung (Prozeßparametereinstellung) erforderlich.
Aufgrund geringerer Wärmeeinwirkung auf die Keramikfolie während des Vernetzungsvorganges wird nochmals verbessertes Schrumpfungs-Rissverhalten erreicht.
Das abgestrahlte Lichtspektrum ist schmalbandig mit nur einem Peak, somit wird nur im für die Vernetzung maßgebenden Wellenlängenbereich abgestrahlt.
Da keine elektromagnetische Strahlung abgegeben wird, keine Ozonbildung erfolgt und kein Quecksilber für die UV-Quelle benötigt wird ist eine bessere Umweltverträglichkeit gegeben.
Durch sofortige Einsatzbereitschaft ohne Aufwärmzeit ist Pulsbetrieb möglich.
Bevorzugte Weiterbildungen der vorteilhaften Ausgestaltungen gemäß dem Verfahrensanspruch 2 sind in den Unteransprüchen 3 bis 5, gemäß dem Vorrichtungsanspruch 9 in den Unteransprüchen 10 und 11 angegeben.
Die Halbleiter-UV-Quelle besteht vorteilhaft aus einer Vielzahl linienförmig oder flächig angebrachten UV-LEDs.
Bevorzugt erfolgt die Belichtung mit einem schmalbandigen Peak innerhalb eines Wellenlängen-Bereich zwischen 200 und 450 nm.
Vorteilhaft ist gepulste Belichtung.
Besonders günstig ist es, wenn, wie in den Ansprüchen 6 und 12 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.
Als Werkstoff für die Trägerfolie wird gemäß den Ansprüchen 7 und 13 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.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der Erfindung werden aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand einer Zeichnung ersichtlich.
Es zeigen:
1: Eine Prinzipskizze des industriellen Herstellungsverfahrens keramischer Folien nach dem Stand der Technik.
2: Eine Prinzipskizze eines Herstellungsverfahrens und einer Vorrichtung unter Verwendung einer Dicken-Einstellvorrichtung des flüssigen Schlickers.
3: Eine zweite Ausführungsform der Dicken-Einstellvorrichtung des Schlickers.
4: Eine dritte Ausführungsform der Dicken-Einstellvorrichtung des Schlickers.
5: Eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung einer erfindungsgemäßen starren Maske.
6: Eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Endlosfilms als Maske.
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
8a, 8b: Zwei beispielhafte Möglichkeiten der Anordnung der UV-LEDs bei Verwendung einer Halbleiter-UV-Quelle zur Belichtung.
9a, 9b: Eine Prinzipdarstellung des Vernetzungsvorganges bei UV-Belichtung.
10: Abstrahlungs-Spektren von Quecksilber-Bogenlampe und Halbleiter UV-Quelle.
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.
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.
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.
Die trockene, flexible und selbsttragende sog. Grünfolie 13 kann danach aufgewickelt oder gleich weiterverarbeitet werden.
Beim 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.
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).
Die Trägerfolie 4 wird von einer Abwickelrolle 16 abgewickelt und auf eine Aufwickelrolle 17 aufgewickelt.
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.
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.
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.
Durch doppelseitige Belichtung sind doppelt so dicke keramische Folien herstellbar, wie bei nur einseitiger Belichtung.
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.
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).
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.
Die Belichtung erfolgt genauso wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel bereits erläutert.
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.
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.
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.
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.
Alternativ kann das Transportband kontinuierlich betrieben werden, während nur die Maske, wie vorstehend beschrieben, hin und her bewegt wird.
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.
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.
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.
Auch hier ist eine doppelseitige Belichtung möglich, wenn auch unterhalb des Transportbandes ein gleicher Endlosfilm synchron abläuft.
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.
Auch hier ist eine doppelseitige Belichtung möglich.
Die Belichtung der keramischen Folie erfolgt 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.
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.
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.
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.
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.
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.
Da UV-LEDs im Gegensatz zu UV-Lampen keine Aufwärmzeit benötigen und extrem schnell reagieren, kann der Vernetzungsvorgang im Pulsbetrieb erfolgen.
Je nach Material (keramischer Schlicker 5, aber auch Trägerfolie 4- und/oder Abdeckfolie 23) und gewünschter Eigenschaft kann dadurch das Leistungsprofil materialspezifisch angepasst werden.
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.
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.

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

Claims

Verfahren zur Herstellung von keramischen Folien, – bei dem ein flüssiger Schlicker (5) aus einem Reservoir (6) flächig mit definierter, einstellbarer Stärke auf einen Untergrund aufgebracht wird, der eine kontinuierlich auf einer Unterplatte (15) ablaufende Trägerfolie (4) ist, – bei dem der Schlicker danach einen Vernetzungsprozeß unter UV-Belichtung durchläuft, in welchem der Schlicker (5) zu einer trockenen Keramikfolie (Grünfolie 13) verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass die Belichtung nur auf Flächenteilen erfolgt, wobei nicht zu belichtende Flächenteile durch eine Maske (30) abgedeckt und anschließend ausgewaschen werden, und – dass die Maske (30) entweder als umlaufender Endlosfilm (33) ausgebildet ist, und synchron mit der Trägerfolie (4) mitläuft, oder als starre Maske (30) ausgebildet ist, die getaktet hin- und herbewegt wird und in Bandlaufrichtung synchron mit der Trägerfolie (4) mitläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die UV-Belichtung durch eine Halbleiter-UV-Quelle (35) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-UV-Quelle (35) aus einer Vielzahl linienförmig oder flächig angebrachten UV-LEDs (34) besteht.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die UV-Belichtung mit einem schmalbandigen Peak innerhalb eines Wellenlängen-Bereiches zwischen 200 nm und 450 nm erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Belichtung gepulst erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Untergrund UV-durchlässig ist und dass die Belichtung doppelseitig erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (4) eine Kunststoff-Folie aus Polyethylen aller möglichen Typen (PE-HD, PE-LD, PE-LLD, PE-HMW, PE-UHMW, PE-X) oder aus Polyethylenterephthalat (PET) ist.
Vorrichtung zur Herstellung von keramischen Folien, – mittels derer ein flüssiger Schlicker (5) aus einem Reservoir (6) flächig mit definierter, einstellbarer Stärke auf einen Untergrund aufgebracht wird, der eine kontinuierlich auf einer Unterplatte (15) ablaufende Trägerfolie (4) ist, – mittels derer der Schlicker danach einen Vernetzungsprozeß unter UV-Belichtung unterzogen wird, in welchem der Schlicker (5) zu einer trockenen Keramikfolie (Grünfolie 13) verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, – dass eine Maske (30) vorgesehen ist, welche nicht zu belichtende Flächenteile abdeckt, so dass die Belichtung nur auf Flächenteile erfolgt und dass die nicht belichteten Flächenteile anschließend ausgewaschen werden, und – dass die Maske (30) entweder als umlaufender Endlosfilm (33) ausgebildet ist, der synchron mit der Trägerfolie (4) mitläuft, oder als starre, getaktet hin- und herbewegte Maske (30), die in Bandlaufrichtung synchron mit der Trägerfolie (4) mitläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halbleiter-UV-Quelle (35) vorgesehen ist, mittels derer die UV-Belichtung erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-UV-Quelle (35) aus einer Vielzahl linienförmig oder flächig angebrachten UV-LEDs (34) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die UV-Belichtung mit einem schmalbandigen Peak innerhalb eines Wellenlängen-Bereiches zwischen 200 nm und 450 nm erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Untergrund UV-durchlässig ist und dass die Belichtung doppelseitig erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie 4 eine Kunststoff-Folie aus Polyethylen aller möglichen Typen (PE-HD, PE-LD, PE-LLD, PE-HMW, PE-UHMW, PE-X) oder aus Polyethylenterephthalat (PET) ist.