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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von gleichmäßigen
und dünnen Kunststoffschichten auf einem Substrat wie z.
B. einer Kupferfolie unter Verwendung von Kunststoffpulver als Beschichtungsmaterial
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Insbesondere soll damit Basismaterial für gedruckte Schaltungen hergestellt
werden.
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Zur
Herstellung von Leiterplatten wird häufig ein Laminat verwendet,
das eine Metallschicht, z. B. eine Kupferschicht, sowie eine elektrisch
isolierende Kunststoffschicht umfasst. Die Kunststoffschicht ist
in der Regel ein Dielektrikum, wie beispielsweise ein Epoxidharz.
Herkömmliche Herstellungsprozesse für solche Laminate
umfassen zunächst ein flüssiges Aufbringen des
Harzes auf die Kupferschicht unter Verwendung von Lösungsmitteln.
Anschließend erfolgt das Trocknen in einem Ofen, wobei
das Lösungsmittel verdampft. Dies kann zu einer Reihe von Problemen
führen, u. a. zu erhöhter Porosität,
Pinholes, Lösungsmitteleinschlüssen und dergleichen
in der resultierenden Schicht aus Epoxidharz. Weiterhin ist die
Verwendung von Lösungsmitteln unter Gesichtspunkten des
Umweltschutzes nachteilig.
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In
der
DE 103 13 555
A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Lackschicht durch
Auftrag eines pulverförmigen Lacks offenbart, der geschmolzen und
danach ausgehärtet wird. Die Offenlegungsschrift
DE 1 577 653 beschreibt
eine Vorrichtung zum Aufbringen eines Überzuges in Pulverform
mit einer drehbaren Messwalze, einem Schaber um das Pulver aus den
Nuten der Walze herauszuholen und einem vibrierenden Sieb um Pulverklümpchen
zu zerkleinern und das aus der Walze entfernte Pulver zu verteilen.
DE 25 43 197 C2 beschreibt
eine Pulverstreumaschine, welche eine rotierende Pulvermitnahmewalze
mit einer Bürste besitzt, wobei die Bürste zu
einer hin- und hergehenden Bewegung parallel zur Drehachse der Pulvermitnahmewalze
angetrieben wird.
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Bei
diesen Verfahren besteht jedoch das Problem, dass es zu Verunreinigungen
der Rückseite des Substrats (die der pulverbeschichteten
Seite gegenüberliegende Seite) durch Pulverpartikel kommen
kann. Dies ist insbesondere bei der Herstellung von Basismaterial
für Leiterplatten nachteilig, da bei einem nachfolgenden Ätzschritt
zum Herstellen von Leiterbahnen Bereiche des Substrats durch aufgeschmolzenes
Pulver abgedeckt sein können, und somit nicht geätzt
werden, was zu Ausschuss führt.
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Der
Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
Verfahren zur Herstellung von Kunststoffschichten auf Substraten, sowie
eine verbesserte Vorrichtung zur Durchführung eines solchen
Verfahrens bereitzustellen.
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Insbesondere
soll auf einem Substrat eine einseitige, möglichst porenfreie
Kunststoffschicht mit einer Schichtdicke von weniger als 200 μm
und einer geringen Schichtdickentoleranz hergestellt werden. Es
soll eine kontinuierliche Produktion in einer Durchlaufanlage möglich
sein.
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Auch
sollen sich mit dem Verfahren und der Vorrichtung auf einem Substrat
Schichtdicken ab ca. 200 μm bis hinab zu 10 μm
erzielen lassen. Das Herstellungsverfahren soll unter anderem kostengünstig und
umweltfreundlich sein. Es soll auf Lösungsmittel verzichtet
werden.
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Diese
Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche
gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben
Ausführungsformen der Erfindung.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung
einer Kunststoffschicht, die eine Schichtdicke von weniger als 200 μm
aufweist, auf einer Oberseite eines Substrats bereitgestellt. Das
erfindungsgemäße Verfahren umfasst ein Auftragen
von Kunststoffpulver auf die Substratoberseite mittels einer Pulverstreueinrichtung,
ein nachfolgendes Reinigen der Substratunterseite, ein nachfolgendes
Schmelzen des aufgetragenen Kunststoffpulvers in einem Ofen, wodurch die
Kunststoffschicht auf dem Substrat entsteht, und ein Abkühlen
des Substrats, wobei das Substrat kontinuierlich von Verfahrensschritt
zu Verfahrensschritt transportiert wird.
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Auf
diese Art kann der Herstellungsprozess ohne die Verwendung von Lösungsmitteln
erfolgen. Das Reinigen der Substratunterseite kann weiterhin sicherstellen,
dass bei dem Schmelzen keine mit einer Kunststoffschicht überzogenen
Bereiche auf der Unterseite des Substrats entstehen. Beim Abkühlen des
Substrats kann die Kunststoffschicht erstarren. Dies kann ein Aufrollen
und Transportieren, oder ein Weiterverarbeiten des kunststoffbeschichteten
Substrats ermöglichen.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung kann die Pulverstreueinrichtung
eine Dosierwalze umfassen, wobei das Kunststoffpulver über
die Dosierwalze dosiert wird. Somit kann das Kunststoffgranulat
oder Kunststoffpulver sehr gleichmäßig auf das
Substrat aufgetragen werden und es kann eine gleichmäßige
Schicht erzeugt werden.
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Das
Kunststoffpulver kann aus der Dosierwalze ausgebürstet
werden und von der Ausbürststelle zunächst auf
mindestens ein Sieb fallen, bevor es von dort auf das Substrat fällt.
Der Abstand der Siebunterkante zu dem Substrat kann kleiner als
100 mm, vorzugsweise kleiner als 50 mm oder besonders bevorzugt
20 mm oder 15 mm, sein. Dadurch kann eine gleichmäßige
Verteilung des Pulvers auf dem Substrat sichergestellt werden.
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Weiterhin
kann der D50 Wert des Kunststoffpulvers, der die Korngröße
der aufzutragenden Kunststoffpartikel beschreibt, vor dem Auftragen
des Kunststoffpulvers auf einen vorbestimmten Wertebereich eingestellt
werden. Dies kann beispielsweise durch Zerkleinerung, einen Mahlprozess
oder einen Siebprozess erfolgen. Damit kann die Korngröße
für eine Verwendung mit der Pulverstreueinrichtung optimiert
werden, wodurch ein gleichmäßiges Auftragen des
Pulvers erzielt wird.
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Vorzugsweise
erfolgt das Reinigen der Substratunterseite durch eine Reinigungsvorrichtung,
die mindestens eine Klebewalze umfasst. Durch Verwenden einer Klebewalze
ist es möglich, zuverlässig die Pulverpartikel
zu entfernen, die an der Substratunterseite anhaften.
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Dabei
kann die Reinigungsvorrichtung einen motorischen Anbtrieb umfassen,
der die Klebewalze antreibt. Der Antrieb der Klebewalze muss also
nicht durch das Substrat erfolgen. Damit können Vibrationen
des Substrats vermieden werden, welche eine gleichmäßige
Verteilung des Kunststoffpulvers beeinträchtigen.
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Das
Reinigen kann durch mindestens zwei Reinigungsschritte erfolgen,
wobei ein erster Reinigungsschritt ein Absaugen und/oder ein Reinigen
mit einer Bürste und ein zweiter Reinigungsschritt ein Reinigen
durch eine Vorrichtung mit einer Klebewalze umfasst. Dadurch kann
eine gründliche Reinigung sichergestellt werden. Der erste
Reinigungsschritt kann beispielsweise derart ausgestaltet sein,
dass er mehr als 80% der Partikel entfernt, die. sich auf der Substratunterseite
befinden. Damit kann die vollständige Partikelentfernung
verbessert werden, sowie eine rasche Sättigung der Klebewalze
mit angelagerten Partikeln vermieden werden.
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Der
erste Reinigungsschritt kann beispielsweise durch eine Bürste
aus tierischen oder künstlichen Federn oder Kunststofffasern
erfolgen.
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Die
Korngrößenverteilung kann vor dem Auftragen des
Kunststoffpulvers so eingestellt werden, dass sie zu der zu erzeugenden
Schicht passt. Das Kunststoffpulver kann eine Korngrößenverteilung
mit einem D50 Wert in einem Bereich von 10 bis 100 μm, vorzugsweise
von 20 bis 80 μm oder besonders bevorzugt von 30 bis 70 μm
aufweisen.
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Vorzugsweise
erfolgt das Auftragen des Kunststoffpulvers gleichmäßig,
so dass eine Kunststoffschicht mit einer gleichmäßigen
Schichtdickenverteilung erhalten wird.
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Die
Kunststoffschicht kann als Basismaterial zur Herstellung einer Leiterplatte
dienen. Insbesondere kann die hergestellte Kunststoffschicht als
Dielektrikum einer Leiterplatte oder Leiterfolie dienen. Das Substrat
kann z. B. eine Folie, Platte, oder ein Band sein. Das Substrat
kann aus isolierendem oder leitfähigem Material, bevorzugt
aus Metall wie Kupfer Aluminium oder Stahl sein. Im Falle der Verwendung der
Schicht als Dielektrikum einer Leiterplatte/-folie ist es vorteilhaft,
wenn die Kunststoffschicht nach dem erfindungsgemäßen
Herstellungsprozess sogenannte B-stage Eigenschaften besitzt, also
noch nicht vollständig chemisch vernetzt ist.
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Gemäß einem
weitern Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
zur Herstellung einer Kunststoffschicht auf einer Oberseite eines Substrats,
die eine Schichtdicke von weniger als 200 μm aufweist,
bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Pulverstreueinrichtung
zum Auftragen von Kunststoffpulver auf die Oberseite des Substrats, eine
Reinigungsvorrichtung zur Reinigung der Substratunterseite, einen
Ofen zum Schmelzen des auf das Substrat aufgetragenen Kunststoffpulvers,
eine Abkühlzone, und eine Transportvorrichtung, welche das
Substrat kontinuierlich durch die Vorrichtung transportiert.
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Mit
einer derartigen Vorrichtung lassen sich ähnliche Vorteile
erzielen wie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Insbesondere können eine Verwendung von Lösungsmitteln
und ein Auftreten von kunststoffüberzogenen Bereichen auf
der Substratunterseite vermieden werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung kann die Pulverstreueinrichtung als Dosiereinrichtung
für das Kunststoffpulver eine Dosierwalze umfassen. Weiterhin
kann die Pulverstreueinrichtung eine Bürste zum Ausbürsten des
Kunststoffpulvers aus der Dosierwalze umfassen. Auch kann mindestens
ein Sieb zwischen einer Stelle, an welcher das Kunststoffpulver
ausgebürstet wird (Ausbürststelle), und dem Substrat
angeordnet sein.
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Die
Pulverstreueinrichtung kann mindestens einen Vorratsbehälter,
eine Dosiereinrichtung und eine Verteilereinrichtung umfassen.
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Beispielsweise
kann die Pulverstreueinrichtung eine Verteilereinrichtung umfassen,
wobei der Abstand zwischen einer Unterkante der Verteilereinrichtung
und dem Substrat weniger als 100 mm, vorzugsweise weniger als 50
mm oder besonders bevorzugt 20 mm oder 15 mm, beträgt.
Eine geeignete Verteilereinrichtung ist z. B. mindestens ein Sieb.
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Weiterhin
kann die Reinigungsvorrichtung mindestens eine Klebewalze umfassen.
Die Reinigungsvorrichtung kann einen Antrieb zum Antreiben der Klebewalze
aufweisen, so dass der Antrieb der Klebewalze nicht über
das Substrat erfolgen muss.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die Vorrichtung eine weitere Reinigungsvorrichtung
umfasst, welche der vorab genannten Reinigungsvorrichtung vorgeschaltet
ist. Die vorgeschaltete weitere Reinigungsvorrichtung kann eine
Absaugvorrichtung und/oder eine Bürste umfassen.
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Die
Bürste der weiteren Reinigungsvorrichtung kann tierische
oder künstliche Federn oder Kunststofffasern und Kombinationen
davon als Reinigungselemente aufweisen. Diese können eine
effektive Reinigung der Substratunterseite bereitstellen.
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Der
Ofen kann Heizelemente umfassen, die dem Substrat gegenüberliegend
auf der Seite des aufgestreuten Pulvers angeordnet sind.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung
der vorab beschriebenen Vorrichtung oder einer deren Ausführungsformen
zur Herstellung von einseitig kunststoffbeschichteter Kupferfolie
als Basismaterial zur Herstellung von Leiterplatten oder Leiterfolien.
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Die
durch die Verwendung der Vorrichtung hergestellte einseitig kunststoffbeschichtete
Kupferfolie kann eine Kunststoffschicht mit geringer Porosität
und mit gleichmäßiger Schichtdicke aufweisen. Auch
kann die Herstellung ohne Einsatz von Lösungsmitteln erfolgen.
Des Weiteren kann die Verwendung der Vorrichtung sicherstellen,
dass die Unterseite der Kupferfolie frei von Kunststoff bleibt.
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Die
Merkmale der vorab beschriebenen Aspekte und Ausführungsformen
der Erfindung können kombiniert werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen kennzeichnen
gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Schnittansicht einer Pulverstreueinrichtung,
die bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eingesetzt wird.
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2 zeigt
eine vergrößerte Ansicht einer Dosierwalze aus 1,
wobei die Höhe von begrenzenden Elementen veranschaulicht
ist, die Vertiefungen in der Dosierwalze bereitstellen.
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3 zeigt
einen Prozessablauf gemäß einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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4 ist
eine schematische Darstellung einer Schnittansicht einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Ausführungsform
die in 1 gezeigte Pulverstreueinrichtung umfasst.
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Die
Figuren sollten nur als schematische Darstellungen verstanden werden,
die der Veranschaulichung der Erfindung dienen. Die in den Figuren
gezeigten Elemente sind dementsprechend nicht maßstabsgetreu
zueinander dargestellt.
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Bei
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird eine Kunststoffschicht auf einem Substrat dadurch
hergestellt, dass mit einer geeigneten Anlage Kunststoffpulver gleichmäßig
auf die Oberseite des Substrates aufgestreut wird, danach die Unterseite
des Substrates gereinigt wird, dann das aufgetragene Granulat/Pulver
geschmolzen und danach durch Abkühlen in den festen Aggregatzustand überführt
wird, sodass eine homogene Kunststoffschicht entsteht. Vor, zwischen
und nach diesen Prozessschritten können weitere Prozessschritte
wie z. B. Zerkleinerungsprozesse, Reinigungsschritte, Laminierungsprozesse
oder Zuschnittprozesse erfolgen. Auf diese Art kommt der gesamte
Herstellungsprozess ohne die Verwendung von Lösungsmitteln
aus.
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Kunststoffpulver,
das zur Herstellung der Kunststoffschicht verwendet werden kann,
umfasst sowohl feineres Kunststoffpulver als auch gröberes Kunststoffgranulat.
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Mit
dieser Methode können gegebenenfalls auch andere Materialien
zu dünnen und gleichmäßig dicken Schichten
verarbeitet werden. Das Substrat wird dabei kontinuierlich von Verfahrensstufe
zu Verfahrensstufe transportiert.
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Das
Material der Kunststoffschicht kann z. B. Polyesterharz sein. Durch
eine geeignete Auftragseinrichtung können Kunststoffgranulat
oder Kunststoffpulver sehr gleichmäßig auf das
Substrat aufgetragen werden und es kann damit eine gleichmäßige Schicht
erzeugt werden. Vorgeschlagen wird eine Pulverstreueinrichtung.
Diese besteht im Wesentlichen aus einer Aufgabevorrichtung, einer
Dosiereinrichtung, und einer Verteilereinrichtung.
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Wie
in 1 gezeigt wird als Dosiereinrichtung eine sich
drehende Walze 10 vorgeschlagen, alternativ ein umlaufendes
Band, welche das Pulver aus der Aufgabevorrichtung 3 kommend
aufnimmt. Nach einer Drehung der Walze 10 gelangen die
aufgenommenen Pulverpartikel zu der Stelle, wo sie aus der Dosiereinrichtung
entfernt werden. Von dort fällt das Pulver in der gewünschten
Menge mit der schon relativ gleichmäßigen Verteilung
auf die darunter befindliche Verteilereinrichtung 8. Von
dort fällt das Pulver in der gewünschten gleichmäßigen
Verteilung auf das Substrat 1. Die Aufgabevorrichtung 3,
z. B. ein Trog, liefert einen ständigen Massenstrom an
Pulver an die Dosiereinrichtung. Die Dosiereinrichtung, z. B. eine
Nadelwalze, dient dazu, einen zeitlich und räumlich möglichst
gleichmäßigen Massenstrom an Pulver zu erzeugen.
Die Verteilereinrichtung, z. B. ein Sieb 8, dient dazu
die Verteilung zu verbessern.
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Die
Aufgabevorrichtung 3 kann mit einer Einrichtung versehen
sein, welche dafür sorgt, dass das Pulver ohne Unterbrechungen
aus der Aufgabevorrichtung austritt, z. B. einer Rütteleinrichtung
oder rotierenden Schaufeln innerhalb der Aufgabevorrichtung in der
Nähe des Pulveraustrittes. Die Aufgabevorrichtung 3 kann
eine Öffnung für den Pulveraustritt besitzen,
welche sich zumindest über die Arbeitsbreite erstreckt.
Die Arbeitsbreite ist die gewünschte Schüttbreite
auf dem Substrat.
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Zur
Aufnahme des Pulvers aus der Aufgabevorrichtung 3 auf der
Walze 10 besitzt diese durch Verwendung von begrenzenden
Elementen wie z. B. Nadeln, Stiften, Noppen oder Wänden
eine strukturierte Oberfläche, so dass die Walzenoberfläche
gegenüber dem äußeren Durchmesser Vertiefungen besitzt. Über
eine Einrichtung, z. B. ein Rakel, werden die Vertiefungen auf der
Walze in gleichmäßiger Höhe mit Pulver
gefüllt. Um eine gleichmäßige Schichtdicke
der fertigen Kunststoffschicht zu erreichen ist dieser Füllgrad über
die Walzenlänge gleich groß.
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Die
Höhe h der Vertiefungen ist schematisch in 2 veranschaulicht.
Dabei bezeichnet r den Außenradius der Walze 10.
Die Vertiefungen sollen gegenüber dem Außenradius
der Walze einen Wert von 5 mm nicht überschreiten, bevorzugt
2,0 mm, besonders bevorzugt 1,5 mm. Die Vertiefungen sollen gegenüber
dem Außenradius eine Tiefe von mindestens 0,3 mm, bevorzugt
0,5 mm, besonders bevorzugt 0,8 mm betragen. Beispielsweise können
die Vertiefungen gegenüber dem Außenradius eine
Tiefe in einem Bereich von 0,3 bis 5 mm, vorzugsweise 0,5 bis 2
mm oder 0,8 bis 1,5 mm aufweisen.
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Die
Abstände der begrenzenden Elemente können so eng
gewählt werden, dass das aufgetragene Pulver in den Vertiefungen
haften bleibt bevor es in einem nachfolgenden Verfahrensschritt
z. B. durch Bürsten daraus entfernt wird. Das Material
der Walze an Ihrer Oberfläche kann aus Kunststoff oder aus
Metall sein. Das Material der begrenzenden Elemente kann aus Kunststoff
oder aus Metall sein, bevorzugt aus Metall.
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Das
Pulver verbleibt in den Vertiefungen der Walzenoberfläche,
bis es nach einer Drehung der Walze daraus zumindest teilweise entfernt
wird. Dies kann über Bürsten geschehen.
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Möglich
ist z. B. eine rotierende Bürste. Die Drehrichtung der
Bürste ist vorzugsweise entgegengesetzt zur Drehrichtung
der Walze. Eine weitere mögliche Anordnung ist eine Bürste,
die sich parallel zur Walzenachse erstreckt und in Achsrichtung
oszillierend bewegt wird.
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Die
Bürstenhaare können aus Kunststoff, Keramik oder
bevorzugt aus Metall sein. Die Bürstenhaare können
leitfähig sein. Die Bürste kann mit einem elektrischen
Potential beaufschlagt sein, sie kann auch geerdet sein. Die Bürste
kann mit ionisiertem Gas, z. B. ionisierter Luft, angeströmt
sein, um ein Anhaften der Kunststoffpartikel zu unterdrücken.
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Die
Stelle des Ausbürstens, also dort wo die Bürstenhaare
die Walzenoberfläche berühren, kann ungefähr
(+/–30% des Walzendurchmessers) auf der Höhe der
geometrischen Walzenachse liegen.
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Die
Parallelität zwischen Bürste und Walze bzw. die
Eindringtiefe der Bürstenhaare in die Vertiefungen soll über
die ganze mit Pulver beladene Länge der Walze möglichst
gleich sein. Die Abweichung soll nicht mehr als 0,5 mm, bevorzugt
0,1 mm, besonders bevorzugt 0,05 mm betragen, um ein gleichmäßiges
Auftragen des Pulvers auf das Substrat zu erreichen.
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Zur
Verbesserung der Gleichmäßigkeit der auf das Substrat
aufgestreuten Pulverschicht kann das Pulver nach dem Ausbürsten
zunächst auf eine siebartige Vorrichtung fallen. Diese
Vorrichtung befindet sich unterhalb der Stelle des Ausbürstens.
Sie kann z. B. ein Maschensieb oder ein Lochblech sein. Diese siebartige
Vorrichtung kann über einen Antrieb bewegt werden. Bevorzugt
ist diese Bewegung planar parallel zum Substrat. Sie kann linear
oszillierend quer zur Transportrichtung des Substrates erfolgen. Sie
kann auch in einer zur Substrat parallelen Ebene bewegt werden,
z. B. kreisförmig.
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Der
Antrieb des Siebes kann eigenständig sein. Bürste
und Sieb können auch einen gemeinsamen Antrieb verwenden.
Die siebartige Vorrichtung kann aus einer Lage bestehen. Sie kann
auch aus mehreren übereinander angeordneten Lagen bestehen.
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Die
Bewegungsfrequenz beträgt beispielsweise mindestens 10
Hz, bevorzugt mindestens 100 Hz, besonders bevorzugt mindestens
200 Hz. Die maximale Bewegungsfrequenz kann mehr als 100.000 Hz
betragen. Geeignete Antriebe für die Siebbewegung können
sein u. a. elektrische und pneumatische Motoren oder Ultraschall
Erzeuger. Unterhalb der siebartigen Vorrichtung können
sich eine oder mehrere weitere siebartige Vorrichtungen der oben
beschriebenen Art befinden. Sie können mit einem eigenen
Bewegungsantrieb mit eigenen Bewegungsparametern oder auch mit gemeinsamem Bewegungsantrieb
versehen sein.
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Die
lichte Weite d zwischen der untersten siebartigen Einrichtung und
dem Substrat soll maximal 50 mm, bevorzugt 25 mm, besonders bevorzugt 20
mm und ganz besonders bevorzugt 15 mm betragen. Sie soll minimal
1 mm, bevorzugt 2 mm, besonders bevorzugt 3 mm, ganz besonders bevorzugt
5 mm betragen.
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Die
Maschenweite der untersten siebartigen Einrichtung kann 100 μm
bis 1000 μm, bevorzugt 200 μm bis 800 μm
betragen. Darüber angeordnete siebartige Einrichtungen
können grober strukturiert sein mit Lochdurchmessern von
1 mm bis 10 mm, bevorzugt 2 mm bis 6 mm.
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Das
Substrat wird relativ zur Auftrags- bzw. Pulverstreueinrichtung
so schnell bewegt, dass die gewünschte Schichtdicke erreicht
wird. Es kann aber auch bei im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit
des Substrates die Geschwindigkeit der Auftragseinrichtung, also
z. B. die Rotationsgeschwindigkeit der Walze verändert
oder geregelt werden.
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Um
eine ausreichende Gleichmäßigkeit der aufgestreuten
Schicht zu erreichen, kann es hilfreich sein, das Substrat plan
und waagerecht zu führen. Insbesondere kann dies unter
der Auftragseinrichtung hilfreich sein. Diese Führung kann
z. B. durch einen Tisch oder mindestens zwei Rollen unter dem Substrat
geschaffen werden.
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Generell
kann es vorteilhaft sein, das Substrat zwischen dem Aufstreuen des
Pulvers und dem Abkühlen der Schicht waagerecht und plan
zu führen. Die Steigung an Unebenheiten sollte höchstens
10%, bevorzugt höchstens 7%, besonders bevorzugt höchstens
5% betragen.
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Weiterhin
kann es hilfreich sein, diese Führung, so zu gestalten,
dass möglichst wenig Bewegungen und Schwingungen von anderen
Vorrichtungen wie dem Walzenantrieb, der Bürsteinrichtung
mit ihrem Antrieb oder der siebartigen Vorrichtung mit ihrem Antrieb
aufgenommen und an das Substrat weitergegeben werden. Z. B. kann
man die obige Führung mechanisch von der Auftragseinrichtung
entkoppeln oder man kann die Führung mit einer Masse größer
als 50 kg gestalten. Ein ausreichend planes Führen des
Substrates kann man erreichen, indem man die Führung so
anordnet dass das Substrat aus der Ebene heraus geführt
wird, die sie ohne die Führung beschreiben würde.
Z. B. kann eine Führung etwas oberhalb der Durchlaufebene
angeordnet sein, die ohne Führung vom Substrat eingenommen
würde, so dass das Substrat dann plan auf die Führung gedrückt
wird.
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Zur
Vorbereitung für den Pulverauftrag kann es hilfreich sein,
die Korngröße der Pulverpartikel vor dem Auftrag
mittels vorstehend beschriebener Anlage auf bestimmte Werte oder
Wertebereiche einzustellen. So sollte der D50 Wert, also der Korngrößenwert,
bei welchem 50% der Masse einen kleinern Durchmesser und 50% einen
größeren Durchmesser als diesen Wert besitzen
kleiner sein als 100 μm, bevorzugt kleiner als 80 μm,
besonders bevorzugt kleiner als 70 μm. Der D50 Wert sollte
weiterhin größer sein als 10 μm, bevorzugt
größer als 20 μm, besonders bevorzugt
größer als 30 μm.
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Um
diese Werte zu erreichen, kann das Kunststoffpulver bei seiner Herstellung
zerkleinert werden, z. B. in einem Mahlprozess und/oder gesichtet
werden, z. B. in einem Siebprozess. Um eine ausreichende Homogenität
der Inhaltsstoffe im Kunststoffpulver zu erhalten, ist es vorteilhaft,
die Ausgangsstoffe zu durchmischen. Das Durchmischen kann z. B.
in einem Rührkessel oder in einem Extruder o. Ä.
erfolgen.
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Nach
dem Pulverauftrag kann es notwendig sein, das beschichtete Substrat
zu reinigen. 4 zeigt eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine derartige
Reinigung bereitstellt.
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Die
Reinigung der Unterseite kann u. a. deswegen wichtig sein, damit
sich dort bei der Verwendung der Folie als gedruckte Schaltung keinerlei
isolierende und damit nicht ätzbare Stellen befinden. Bei einem
nachfolgenden Ätzprozess sollten keine nicht ätzbaren
Stellen existieren, da diese zu elektrischen Fehlfunktionen der
gedruckten Schaltung führen würden.
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Es
hat sich herausgestellt, dass das Reinigungssystem für
den Reinigungsschritt des Herstellungsprozesses der Folie besonderen
Anforderungen genügen sollte. So ist es vorteilhaft, wenn
eine extrem gute Reinigungsleistung erbracht wird, da beim nachfolgenden
Schmelzprozess auf der Unterseite anhaftende Pulverpartikel nicht
akzeptabel sind. Weiterhin ist es wünschenswert, dass der
Reinigungsvorgang die gewünschte Gleichmäßigkeit des
Pulverauftrages nicht stört. Die Folie sollte beispielsweise
nicht zu unerwünschten Erschütterungen angeregt
werden. Auch soll ein sicherer, kontinuierlicher Anlagenbetrieb
möglich sein. Bei der vorliegenden, in 4 dargestellten
Ausführungsform der Erfindung wird dies durch ein mindestens
zweistufiges Reinigungssystem mit zwei unterschiedlichen Reinigungsvorrichtungen
erreicht. Es sollte jedoch klar sein, dass die erfindungsgemäße
Vorrichtung auch mit nur einer Reinigungsvorrichtung versehen werden
kann.
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Hierfür
wird zunächst als wesentlicher Teil der Reinigung eine
Reinigungsvorrichtung vorgeschlagen, welche mindestens eine Klebewalze
umfasst. Man kann eine Vorrichtung mit einer drehenden Klebewalze
verwenden. Diese Walze kann mit ihrer Zylinderfläche an
der Substratrückseite anliegen und über Ihre kleberbeschichtete
Oberfläche unerwünschte Partikel von der Substratrückseite
entfernen und aufnehmen.
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Es
kann aber auch eine drehende Überträgerwalze verwendet
werden, welche die Substratrückseite berührt.
Dann nimmt die Überträgerwalze die Partikel von
der Substratrückseite auf und nach einer Drehung der Überträgerwalze
nimmt die an ihr anliegende Klebewalze die Partikel von ihr ab und hält
sie auf ihrer klebrigen Oberfläche. Der Vorteil der letzten
Variante besteht darin, dass keine Kleberpartikel an der Substratrückseite
haften bleiben. Weiterhin klebt die Walze nicht an der Substratrückseite,
sodass dadurch eventuell entstehende Erschütterungen vermieden
werden. Die Oberfläche der Überträgerwalze
kann aus Kunststoff sein. Die Haftkraft der Oberfläche
der Überträgerwalze bezüglich der Partikel
sollte größer sein als die der Substratrückseite aber
kleiner als die der Oberfläche der Klebewalze.
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Es
ist bei beiden Vatianten vorteilhaft, wenn die Folie an ihren Rändern
auf die Walzenoberfläche gedrückt wird, um eine
ausreichende Planarität der Folie und eine Partikelentfernung über
die ganze Folienbreite zu gewährleisten. Ferner kann es
vorteilhaft sein, wenn die Klebewalzenvorrichtung einen motorischen
Antrieb besitzt, sodass die Walzen nicht über die Folie
angetrieben werden. Der Antrieb kann so erfolgen, dass die Umfangsgeschwindigkeit
der das Substrat berührenden Walze im Wesentlichen gleich
(+/–20%) der Transportgeschwindigkeit des Substrates ist.
Dadurch können unerwünschte Erschütterungen
vermieden werden, welche eine nicht zulässige ungleichmäßige
Partikelverteilung zur Folge haben können.
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Um
einen ausreichenden Kontakt zwischen der das Substrat berührenden
Walze und dem Substrat zu erreichen kann das Substrat durch die
berührende Walze aus ihrer Transportbahn heraus nach oben
gedrückt werden. Vor und nach der Klebewalzenvorrichtung
kann eine Vorrichtung vorhanden sein, um die statische Ladung der
Substratrückseite und der Partikel zu neutralisieren, z.
B. eine Luftionisierung. Dies erleichtert das Entfernen der Partikel von
der Folie und verhindert eine Wiederanlagerung. Es können
auch mehr als eine Klebewalzenvorrichtungen hintereinander eingesetzt
werden, was die Wahrscheinlichkeit einer vollständigen
Partikelentfernung erhöht.
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Um
eine zu rasche Sättigung der Klebewalze mit angelagerten
Partikeln zu vermeiden, kann eine weitere Reinigungsvorrichtung
für die Substratrückseite vorgesehen werden, um
bereits vor der Klebewalzenvorrichtung den Großteil der
anhaftenden Partikel zu entfernen. Dies kann beispielsweise eine
Absaugung sein. Die Ränder können bevorzugt abgesaugt
werden, da hier eine höhere Partikeldichte existieren kann.
Es kann auch hilfreich sein, die Ränder auf der Substratoberseite,
z. B. unmittelbar nach oder sogar während dem Pulverauftrag,
abzusaugen. So kann ein Anlagern von Partikeln auf der Substratunterseite
verringert werden.
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Die
weitere Reinigungsvorrichtung kann auch mindestens eine Bürsteneinrichtung
wie eine rotierende Bürstenwalze oder ein gleichartig wirkendes
umlaufendes Bürstenband umfassen. Diese Bürstenwalze
ist in der Lage, die Partikel von der Substratrückseite
abzunehmen und sie nach einem Drehen der Walze wieder von der Bürstenoberfläche abzugeben,
z. B. durch eine Absaugung. Die Bürstenwalze reinigt also
die Substratrückseite und wird selber wieder gereinigt.
Sie kann mit Haaren, Lappen, Textilien, Kunststofffasern u. ä.
versehen sein. Bevorzugt werden weiche Vogelfedern, z. B. von Straußen
und Emus verwendet. Die Partikel können von der Bürste
entfernt werden, z. B. dadurch, dass die Partikel an einer Abschlageinrichtung
wie einer Stange oder Wand abgeschlagen werden. Dies kann sinnvoller
weise mit einer Absaugeinrichtung kombiniert werden. Die Absaugung
kann sich unterhalb der Bürstenwalze befinden. Zusätzlich
kann die Entfernung der Partikel von der Bürste durch Verwendung von
ionisiertem Gas, welches an die Bürste geleitet wird, unterstützt
werden. Auch kann die Bürstenoberfläche mit einer elektrisch
geladenen oder geerdeten Oberfläche in Kontakt gebracht
werden, um statische Aufladungen, welche zur Anhaftung der Partikel
an der Bürstenoberfläche führen, zu beseitigen.
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Um
keine unerwünschten Erschütterungen auf das Substrat
zu übertragen, soll die relative Geschwindigkeit zwischen
Substrat und Walzenoberfläche 5 m/s nicht überschreiten.
Das Substrat soll die Walze von Ihrem maximalen Durchmesser nicht mehr
als 100 mm ”eindrücken”. In einem Bereich
von kleiner als 1 m vor und nach der Berührungsstelle kann
das Substrat unterstützt sein, z. B. durch Walzen, die
auch durch einen Motor angetrieben sein können. Um ausreichende
Planarität zu gewährleisten, können die
Ränder durch Niederhalter, z. B. Rollen oder Rädchen
in der Ebene gehalten werden. Die Rädchen können
in ihrer Ausrichtung so montiert sein, dass sie schräg
nach außen weisen, um so ein Spannen der Folie zu bewirken.
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Nach
dem Pulverauftrag und dem Reinigen erfolgt das Schmelzen des auf
dem Substrat aufgestreuten Kunststoffpulvers. Um bei der Herstellung von
Kunststoffschichten, z. B. zur Erzeugung einer Kunststoffschicht
auf einer Metallfolie wie einer Kupferfolie, ein gleichmäßiges
Schmelzen und damit auch eine gleichmäßige Schichtdicke
zu erreichen, kann es hilfreich sein, einen Strahlungsofen zu verwenden,
welcher ein oder mehrere Heizbereiche besitzt, die nacheinander
durchlaufen werden.
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Es
kann beispielsweise ein Ofen verwendet werden, der im NIR Bereich
(Wellenlänge der Strahlung von 0,5 bis 3 μm) arbeitet.
Um die gewünschten Materialeigenschaften des Produktes
zu erreichen soll eine Behandlungszeit von 60 Sekunden, bevorzugt
45 Sekunden, besonders bevorzugt von 30 Sekunden nicht überschritten
werden. Die Mindestbehandlungszeit beträgt 1 Sekunden,
bevorzugt 3, besonders bevorzugt 5 Sekunden.
-
In
dem Ofen können auch zwei Prozessschritte stattfinden.
Zunächst das Schmelzen der aufgetragenen Pulverschicht,
dann das chemische Vernetzen des Kunststoffes. Beide Prozesse können
in ein und dem selben Ofen stattfinden. Es kann sein, dass die chemische
Vernetzung bei diesem Prozessschritt nicht vollständig
erfolgt, sondern nur so weit, wie der Vernetzungsgrad verlangt wird.
Er kann z. B. zwischen 3% und 80% der maximal möglichen
Vernetzung liegen. Der Vernetzungsgrad kann über die Verweilzeit
im Ofen eingestellt werden. Auch kann der Vernetzungsgrad über
die zugeführte Energie des Ofens eingestellt werden. Die
Einstellung der nötigen Energie des Ofens kann über
die Temperatur der Oberfläche der Kunststoffschicht erfolgen.
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Die
Heizelemente sind vorzugsweise oberhalb des Substrates, also oberhalb
der beschichteten Seite des Substrates angeordnet. Die Heizelemente in
dem Ofen können in Segmente aufgeteilt sein, welche von
der Ware nacheinander passiert werden. Einem Segment kann mindestens
ein Sensor zur Temperaturerfassung zugeordnet sein. Der Ofen kann
so betrieben werden, dass die Temperatur an der Oberfläche
der Ware von Segment zu Segment unterschiedlich ist. Insbesondere
kann die Temperatur unter dem ersten Segment niedriger sein, als
unter einem nachfolgenden.
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Nach
dem Schmelzen erfolgt das Abkühlen, z. B. durch Fluiddüsen
wie Luftdüsen oder eine ausreichend dimensionierte Abkühlstrecke,
so dass die Konsistenz der Kunststoffschicht derart ist, dass das Substrat
mit der Kunststoffschicht aufgerollt oder gestapelt werden kann,
ohne dass es zu einem Ankleben kommt. Das Abkühlen soll
nach Verlassen des Ofens innerhalb von 10 sek bevorzugt 5 sek auf
eine maximal Temperatur von 50°C erfolgen. Das Produkt besitzt
dann die gewünschten Eigenschaften. Auch wird durch das
vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren eine Porenfreiheit
der erzeugten Kunststoffschicht erreicht.
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In 1 ist
schematisch die Auftragseinrichtung dargestellt wie sie zur Herstellung
einer einseitigen Kunststoffschicht auf einer Kupferfolie verwendet
werden kann.
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Der
Aufgabebehälter 3 wird kontinuierlich oder diskontinuierlich
mit dem Kunststoffpulver 2 gefüllt. Eine Auflockerungseinrichtung 4 sorgt
dafür, dass das Pulver kontinuierlich aus dem Aufgabebehälter 3 ausläuft.
Vom Aufgabebehälter 3 läuft das Pulver
auf die Walze 10 und füllt die Walzenvertiefungen
zwischen den begrenzenden Elementen, z. B. Nadeln. Über
ein Rakel 5 wird der gleichmäßige Füllgrad
der Walzenvertiefungen eingestellt. Nachdem das auf der Walze befindliche
Pulver durch die Drehung der Walze weiter transportiert wurde, wird
es durch die Bürste 6 aus den Walzenvertiefungen
herausgebürstet und fällt auf die darunter befindliche siebartige
Vorrichtung 8. Der Antrieb der siebartigen Einrichtung 9 kann
ein eigener oder ein mit dem Antrieb 7 für die
Bürste 6 gemeinsamer sein. Von der siebartigen
Vorrichtung 8 wird das Pulver gleichmäßig
auf die unter der Auftragseinrichtung transportierten Kupferfolie 1 verteilt.
Der Abstand d zwischen Siebunterkante und Oberfläche der
Kupferfolie 1 beträgt nicht mehr als 50 mm. Die Transportrichtung
der Kupferfolie 1 ist durch den Pfeil gekennzeichnet. Der Transport
kann aber auch in entgegen gesetzter Richtung verlaufen.
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In 2 ist
die Höhe der begrenzenden Elemente, welche die Vertiefungen
der Walze gegenüber ihrem Außenradius bestimmen,
dargestellt.
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In 3 ist
der Prozessablauf des Schichtauftrages dargestellt. Das Substrat 1 wird
von der Abwickelstation A zur Aufwickelstation G transportiert. In
Prozessstufe B wird das Kunststoffpulver hinsichtlich Korngrößenverteilung
und Zusammensetzung hergestellt. Dann erfolgt der Pulverauftrag
auf Substrat 1 in Prozessstufe C. In Prozessstufe D kann
eine Reinigung der Substratrückseite und/oder auch der Substratränder
erfolgen. Nachfolgend wird das Pulver in Stufe E in einem Ofen geschmolzen
und danach in der Abkühlzone F abgekühlt, sodass
die Folienbeschichtung mit den gewünschten Eigenschaften
entsteht. Zum Schluss wird das beschichtete Substrat in der Aufwickelstation
G für die weitere Bearbeitung aufgerollt. Das Verfahren
kann beispielsweise unter Verwendung der mit Bezug auf 1 beschriebenen
Pulverstreueinrichtung bzw. der mit Bezug auf 4 beschriebenen
Vorrichtung durchgeführt werden.
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In
der 4 ist schematisch eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Reinigungssystem
dargestellt. Auf das Substrat 1, z. B. eine Folie, wird
zunächst das Kunststoffpulver 2 aufgestreut. Das
Pulver kommt von der Aufgabevorrichtung 3 und wird über
eine Walze 10 mit Bürste 6 dosiert, wobei
ein unter der Ausbürststelle befindliches Sieb 8 für
eine ausreichende Gleichmäßigkeit des Pulverauftrages
sorgt. Zum Aufstreuen des Pulvers kann die Vorrichtung die Pulverstreueinrichtung
nach 1 umfassen.
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Danach
kann eine Reinigung des Substratrandes auf seiner Oberseite erfolgen,
z. B. mit einer Randabsaugung 21. Danach kann eine Neutralisation
der statischen Ladung der Partikel auf der Substratunterseite durch
eine Neutralisierungseinrichtung 14 für elektrostatische
Ladungen z. B. eine Luftionisierungseinrichtung erfolgen. Danach
erfolgt ein Reinigungsschritt mit einer Bürstenwalze 11,
welche mit Straußen/Emufedern versehen ist, die bei der
Bürstenrotation mit der Substratrückseite in Berührung kommen
und die Partikel aufnehmen. Die dann an der Bürste befindlichen
Partikel werden durch eine Neutralisierungseinrichtung 15 für
elektrostatische Ladungen in Ihrer Haftkraft an den Federn stark
gelockert. Daraufhin werden die Teilchen an einer Abschlageinrichtung 12 von
den Federn entfernt und abgesaugt. Nach dem Bürsten kann
vor einer weiteren Reinigungsstufe durch eine Neutralisierungseinrichtung 16 für
elektrostatische Ladungen die Haftkraft der Partikel an dem Substrat
reduziert werden.
-
Bei
der nachfolgenden Reinigungsstufe werden die verbleibenden Partikel
durch die Übertragungswalze 18 vom Substrat entfernt
und an die Klebewalze 19 übergeben. Eine nachgeschaltete
Neutralisierungseinrichtung 17 für elektrostatische
Ladungen hilft, ein erneutes Anlagern von Partikeln zu vermeiden.
Auf den Substratrand wirkende Niederhalter 22, 23, 24 wie
z. B. Rädchen sorgen für eine ausreichende Planarität
des Substrates.
-
Nach
dem letzten Reinigungsschritt werden die Kunststoffteilchen im Ofen
geschmolzen und danach in der Abkühlzone 26 die
dabei entstehende Kunststoffschicht zusammen mit dem Substrat gekühlt.
-
Es
sollte klar sein, dass viele der in 1 und 4 dargestellten
Elemente optional sind. Beispielsweise kann auch nur eine Reinigungsvorrichtung
vorgesehen werden, z. B. nur eine Klebewalze. Auch sind die Ionisierungseinrichtungen
und die Randabsaugung optional. Die Führung des Substrats kann
ebenfalls anders als in 4 dargestellt ausgestaltet sein.
Auch kann die Dosierung des Kunststoffpulvers mit anderen Mitteln
als durch die Dosierwalze 10 erfolgen.
-
- 1
- zu
beschichtendes Substrat, Folie
- 2
- Kunststoffpulver
- 3
- Aufgabevorrichtung
- 4
- Auflockerungsvorrichtung
- 5
- Pulverabstreifvorrichtung,
Rakel
- 6
- Bürste
- 7
- Antrieb
der Bürste
- 8
- siebartige
Vorrichtung
- 9
- Antrieb
der siebartigen Vorrichtung
- 10
- Walze
- 11
- Bürstenwalze
- 12
- Abschlageinrichtung
- 14,
15, 16, 17
- Ionisierungseinrichtung
- 18
- Überträgerwalze
- 19
- Klebewalze
- 21
- Randabsaugung
- 22,
23, 24
- Niederhalter
- 25
- Ofen
- 26
- Abkühlzone
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10313555
A1 [0003]
- - DE 1577653 A [0003]
- - DE 2543197 C2 [0003]