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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 Vorrichtungsanspruch 7 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 erfindungsgemäßen Lösung gemäß dem Verfahrensanspruch 1 sind
in den Unteransprüchen
2 bis 4, gemäß dem Vorrichtungsanspruch
7 in den Unteransprüchen
8 und 9 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
5 und 10 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 6 und
11 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 eines Herstellungsverfahrens und einer Vorrichtung
unter Verwendung einer 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 eines Herstellungsverfahrens und einer Vorrichtung
unter Verwendung einer starren Maske.
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6:
Eine Prinzipskizze eines Herstellungsverfahrens und einer Vorrichtung
unter Verwendung eines Endlosfilms als Maske.
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7:
Eine Prinzipskizze eines Herstellungsverfahrens und einer 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.
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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
Herstellungsverfahren, das in 2 beispielhaft
dargestellt ist, wird die Vorrichtung zur Einstellung der definierten
Stärke
des auf die Trägerfolie 4 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 völlständig 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.
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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 der 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