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Die Erfindung betrifft eine Rakelwelle zum Auftrag eines Strichs auf einer Materialbahn, insbesondere einer Karton- oder Papierbahn.
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Rakeln werden verwendet, um beispielsweise auf die Oberfläche einer Papierbahn einen Bindemittelauftrag, den sogenannten Strich, aufzutragen. Als Material für diesen Bindemittelauftrag wird Streichfarbe verwendet. Durch den Strich erhält das Papier eine geschlossenere, glattere und stabilere Oberfläche, die Qualität des gestrichenen Papieres wird gegenüber dem Ausgangsmaterial wesentlich verbessert.
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Für den Auftrag des Strichs auf der Materialbahn stehen mehrere Verfahren zur Verfügung. Im direkten Verfahren verteilt die Rakel das Bindemittel direkt auf der Oberfläche der Materialbahn, Hierbei wird unterschieden zwischen einem hydrodynamischen sowie einem volumetrischen Auftragsverfahren. Hauptunterscheidungsmerkmal der vorgenannten Auftragsverfahren liegt in der Strukturierung beziehungsweise Oberflächenbearbeitung des verwendeten Streichwerkzeuges. Im indirekten Verfahren wird das Bindemittel durch eine Rakel, eine Rakelwelle, ein Rakelmesser oder eine Standrakel auf eine Auftragswalze aufgetragen und von dieser dann auf die Materialbahn übertragen. Bei jeden der vorgenannten Verfahren garantiert die Rakel einen gleichmäßigen Auftrag des Strichs auf der behandelten Materialbahn.
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Moderne Papierherstellungs- und -veredelungsmaschinen weisen neben steigenden Materialbahnbreiten von über 10 m deutliche Weiterentwicklungen bezüglich der Laufgeschwindigkeit der rotatorischen Bestandteile auf. Die Laufgeschwindigkeit liegt in modernen Maschinen bei bis zu 2000 m/Minute.
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Die hohen Materialbahnbreiten bedingen eine auf diese abgestimmte Länge der verwendeten Rakel. Aus den hohen Laufgeschwindigkeiten resultiert die Notwendigkeit, Rakeln mit möglichst niedrigem Energieaufwand betreiben zu können.
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Herkömmliche Rakeln werden aus Edelstahl gefertigt und weisen in der Regel eine Oberflächenveredelung, beispielsweise mit einem Hartstoff oder dergleichen, auf. Auch besteht die Möglichkeit, dass in die Rakelkörper aus Edelstahl Strukturen eingebracht sind. Dies ist insbesondere beim hydrodynamischen Auftragsverfahren von Bedeutung. Diese Rakeln mit Längen von 10 und mehr Metern weisen zum einen ein hohes Gewicht auf, sodass zum Erreichen hoher Laufgeschwindigkeiten ein vergleichsweise hoher Energieaufwand notwendig ist. Zum anderen kommt es aufgrund der Länge der Rakel und dem daraus resultierenden hohen Rakelgewicht zu einer Durchbiegung der Rakel beziehungsweise Rakelwelle. Diese führt zu einem ungleichmäßigen Strichauftrag und macht Verstärkungsbeziehungsweise Versteifungmaßnahmen notwendig, um die Maßhaltigkeit und Streichgenauigkeit der Rakel zu gewährleisten. Die vorgenannten Rakelwellen bringen somit, insbesondere bei größer dimensionierten Papierherstellungs- und - veredelungsmaschinen den Nachteil hoher Kosten, eines hohen Gewichts, Ungenauigkeiten beim Strichauftrag und eines hohen Energiebedarfs mit sich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Rakelwelle zur Verfügung zu stellen, die bei geringem Gewicht einen gleichmäßigen, qualitativ hochwertigen Bindemittelbeziehungsweise Streichfarbenauftrag auf eine Materialbahn gewährleistet.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Rakelwelle gemäß Anspruch 1. Vorgesehen ist, dass der Rakelkörper zumindest teilweise aus einer mit Fasern verstärkten Materialmatrix gebildet ist. Dadurch, dass der Rakelkörper ganz oder teilweise durch eine mit Fasern verstärkte Materialmatrix ersetzt wird, kann das Gesamtgewicht der Rakel signifikant reduziert werden. Die in der Matrix eingebrachten Verstärkungsfasern verbessern die spezifische Festigkeit und Steifigkeit des gebildeten Rakelkörpers.
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Die Fasern sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Anorganischen Verstärkungsfasern, insbesondere Basaltfasern, Borfasern, Glasfasern, Keramikfasern oder Kieselsäurefasern. Daneben können die verwendeten Fasern in geeigneter Weise ausgewählt werden aus metallischen Verstärkungsfasern und hierbei insbesondere aus Stahlfasern. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, dass die verwendeten Fasern ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: organischen Verstärkungsfasern, insbesondere Aramidfasern (Kevlar), Kohlenstofffasern, Polyesterfasern, Nylonfasern, Polyethylenfasern, oder Plexiglasfasern. Darüberhinaus besteht die Möglichkeit, die zuvor genannten Fasern in geeigneter Weise kombiniert in das Matrixmaterial einzubetten.
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Für die Herstellung des Rakelkörpers werden bevorzugt vorimprägnierte oder trockene Fasern verwendet. Um letztendlich den Rakelkörper zu bilden, wird ein Autoklavverfahren, ein Faserspritzverfahren, ein Pressverfahren, ein Pultrusionsverfahren, ein Spritzgussverfahren, ein Wickelverfahren, ein Handlaminierverfahren oder ein Harzinjektionsverfahren verwendet. Je nach verwendetem Herstellungsverfahren wird der Grundkörper zunächst aus den vorimprägnierten oder trockenen Fasern gebildet und danach das Matrixmaterial mit den Fasern zusammengebracht, um den Rakelkörper in den vorgenannten Verfahren herzustellen.
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Bevorzugt ist das Matrixmaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Thermoplasten, insbesondere Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI), Polytetrafluorethylen (PTFE). Des Weiteren kann das Matrixmaterial ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus: Duroplasten, hier insbesondere aus Epoxidharz (EP), ungesättigtem Polyesterharz (UP), Vinylesterharz (VE), Phenol-Formaldehydharz (PF), Diallylphthalatharz (DAP), Methacrylatharz (MMA), Polyurethan (PUR), Aminoharze, Melaminharz (MF/MP), Harnstoffharz (UF) oder Kombinationen aus den vorgenannten Matrixmaterialien.
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Die Matrix beziehungsweise das Matrixmaterial umgibt die Fasern, die durch Adhäsiv- oder Kohäsivkräfte an die Matrix gebunden sind. Die hohen spezifischen Festigkeiten und Steifigkeiten der Verstärkungsfasern ergeben sich erst aus einer geeigneten Kombination von Faser- und Matrixwerkstoff. Erfindungsgemäß sind die beiden Werkstoffe für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Rakel aufeinander optimal abgestimmt und bilden so einen Konstruktionswerkstoff, der die hohen Anforderungen bezüglich der Umdrehungszahl in der Papierherstellungs- und -veredelungsmaschine wie auch der Haltbarkeit beim Auftrag der Streichfarbe gewährleistet. Durch die geeignete Kombination aus Fasern und Matrixmaterial kann somit ein Konstruktionswerkstoff zur Verfügung gestellt werden, der aufgrund seiner Eignung für Leichtbauanwendungen, das Gesamtgewicht der Rakel wesentlich reduziert, gleichzeitig jedoch ausreichende Steifigkeit und Festigkeit aufweist und auch über größere Rakellängen, deren Form- und Maßhaltigkeit gewährleistet. Optimale Eigenschaften ergeben sich aufgrund der geeigneten Kombination von Fasern und Matrix. Die Fasern leiten dabei die Kräfte und weisen im Vergleich zum Matrixmaterial eine hohe Steifigkeit auf. Die aufgenommene Last wird entlang der Fasern geleitet. Quer zur Faser weisen Faser und Matrixmaterial in der Regel ähnliche Elastitätsmodule auf. Hier auftretende Kräfte müssen durch die Adhäsivkräfte zwischen Matrixmaterial und Faser über die Fasermatrixgrenzfläche geleitet werden. In das Matrixmaterial sind die Fasern eingebettet und räumlich fixiert. Dies ermöglicht die optimale Lasteinleitung und -ausleitung. Das Matrixmateril stützt zusätzlich die Fasern und verhindert deren Ausknicken beispielsweise bei faserparallelem Druck. Auch werden die Fasern durch das Matrixmaterial gegen Umgebungseinflüsse geschützt.
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Bevorzugt werden die Fasern dem Matrixmaterial als Kurz- oder Langfasern beigemischt. Alternativ oder zusätzlich hierzu besteht die Möglichkeit, dass die Fasern als in das Matrixmaterial eingelegte beziehungsweise eingebettete Endlosfasern oder Endlosfaserbündel, sogenannte Rovings, ausgebildet sind und in den zuvor genannten Verfahren innig mit dem Matrixmaterial verbunden werden. Auch hier besteht die Möglichkeit, dass sowohl trockene als auch vorimprägnierte Fasern Verwendung finden.
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Die Fasern sind bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zu einer Lauf- oder Umfangsrichtung des Rakelkörpers ausgerichtet. Hierüber kann die volle Steifigkeit beziehungsweise Festigkeit des Faser-Matrixmaterial-Verbundwerkstoffes gewährleistet werden. Eine optimale Kraftein- beziehungsweise -ausleitung in die Fasern, auch bei Rakeln mit höherer Längenausdehnung ist somit sichergestellt.
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Wie zuvor bereits ausgeführt, besteht die Möglichkeit, dass die Fasern als dem Matrixmaterial beigemischte Kurz- oder Langfasern ausgebildet sind. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht dem gegenüber vor, dass der Rakelkörper aus einem wenigstens einlagigen Fasergelege, Fasergewebe oder Fasergeflecht gebildet ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei Verwendung von zwei- oder mehrlagigen Fasergelegen, Fasergeweben oder Fasergeflechten die Fasern der Lagen in einem Winkel von zwischen 0° und 90° zueinander, insbesondere von zwischen 45° und 90°, bevorzugt von 90°, zueinander ausgerichtet sind. Die Fasern beziehungsweise Faserbündel einer Schicht weisen dabei bevorzugt jeweils die gleiche Ausrichtung auf. Auch bei der Verwendung von Fasergelegen, Fasergeweben oder Fasergeflechten können diese eine Vorimprägnierung aufweisen, oder aber trocken verwendet werden, um nach der Bildung des Grund- beziehungsweise Urkörpers in den oben genannten Verfahren mit dem Matrixmaterial verbunden, umhüllt oder in dieses eingebettet zu werden.
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Eine als günstig angesehene Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Rakelkörper oder die Rakel in eine Matrix eingebettete Endlosfasern oder unidirektionale Rovings aufweist.
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Insbesondere sind dabei die Rovings im Wesentlichen senkrecht zur Lauf- oder Umfangsrichtung der Rakelwelle ausgerichtet.
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Alternativ hierzu ist der Rakelkörper aus gewickelten Fasern oder Rovings oder aus auf einem Wellenkern aufgewickelten Fasern oder Rovings gebildet. Das Material des Wellenkerns kann hierbei beispielsweise Stahl, Edelstahl oder dergleichen sein. Insgesamt kann durch die Verwendung einer auf einem Wellenkern aufgebrachten Schicht aus einem Faserverbundwerkstoff das Gesamtgewicht der gebildeten Rakel wesentlich reduziert werden.
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Die für die erfindungsgemäße Rakelwelle verwendbaren Fasern können eingeteilt werden nach ihrer Länge. Sogenannte Kurzfasern weisen Faserlängen von 0,1 mm bis 1 mm auf. Diese Kurzfasern werden vor allem in der Spritzgußtechnik eingesetzt und können direkt mit einem Extruder oder dergleichen verarbeitet werden.
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Langfasern weisen Längen von ca. 1 mm bis 50 mm auf. Langfasern eignen sich ebenfalls noch für die Verarbeitung in Extrudern, finden in großem Umfang jedoch vor allem beim Faserspritzen Verwendung und werden häufig Duroplasten als Füllstoff beigemischt.
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Endlosfasern weisen Längen von über 50 mm auf und werden als Rovings oder Gewebe in faserverstärkten Kunststoffen eingesetzt. Bauteile mit Endlosfasern erzielen die höchsten Steifigkeits- und Festigkeitswerte.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rakel sieht vor, dass der Rakelkörper aus einem schlauchförmigen Fasergeflecht gebildet ist, das mit dem Matrixmaterial umgeben beziehungsweise in dieses eingebettet vorliegt. Im allgemeinen kann der Rakelkörper aus einem sogenannten Faserhalbzeug hergestellt werden. Hierfür eignen sich die vorher bereits genannten Gewebe, das heißt aus Verweben von Endlosfasern oder Faserbündeln gebildete Gewebe oder Gelege, beziehungsweise aus parallel ausgerichteten Fasern gebildete Flächengebilde, Multiaxialgelege, die neben den parallel oder gestreckt ausgerichteten Fasern zusätzliche, senkrecht hierzu orientierte Fasern aufweisen. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, dass der Rakelkörper oder Teile davon aus einem sogenannten Gesticke hergestellt wird. Diese erlauben eine auf die jeweiligen Lasteinleitungen abgestimmte Ausrichtung und Auslegung der Fasern beziehungsweise Faserbündel.
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Wird der Rakelkörper aus einem schlauchförmigen Fasergeflecht gebildet, so wird hierzu beispielsweise ein Faserhalbzeug in Form eines Schlauches verwendet, das in das Matrixmaterial eingebettet beziehungsweise mit diesem injiziert wird.
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Für einen gleichmäßigen, qualitativ hochwertigen Strichauftrag ist die gleichmäßige Oberflächenstruktur der Rakel von besonderer Bedeutung. Herkömmliche Edelstahlrakeln werden für diesen Zweck mit einem Hartstoff oder sonstigen Metall beschichtet und danach poliert, so dass hier keinerlei Unregelmäßigkeiten der Rakeloberbeziehungsweise Mantelfläche auftreten können. Auch bei der erfindungsgemäßen, aus einem faserverstärkten Matrixbeziehungsweise Kunststoffmaterial gebildeten Rakelwelle ist bevorzugt eine Oberflächenbeschichtung vorgesehen. Diese Oberflächenbeschichtung ist insbesondere gebildet aus einem Hartstoff, insbesondere aus Titannitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Borcarbid, Wolframcarbid, Vanadiumcarbid, Titannitrid, Tantalnitrid, Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid. Alternativ oder zusätzlich besteht die Möglichkeit hier eine Oberflächenbeschichtung oder Oberflächenschicht aus Metall, Keramik oder Kombinationen daraus herzustellen. Das Material der Oberflächenbeschichtung wird in einem PVD(=physical vapour deposition)-Verfahren, beispielsweise durch Sputtern, thermisches Verdampfen, Elektronen-Strahlungsverdampfen, Wasserstrahlverdampfen, Lichtbogenverdampfen, Molekularstrahlenepitaxie, ionenstrahlgestützte Deposition, Ionenplattieren, ICB-Technik; CVD-Verfahren (=chemical vapour deposition), beispielweise HFCVD (=hot filament chemical vapour deposition), LPCVD (=low Pressure chemical vapour deposition), APCVD (=atmospheric pressure chemical vapour deposition), MOCVD (=metal organic chemical vapour deposition), PECVD (=plasmaenhanced chemical vapour deposition), MOVPE (=metal organic vapour phase epitaxy) aufgetragen.
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Die Oberflächenbeschichtung erlaubt ein Schleifen beziehungsweise Polieren des Rakelkörpers beziehungsweise der fertigen Rakel, so dass hier Ungleichmäßigkeiten im Rakelgrundkörper beziehungsweise Rakelkörper, der aus dem faserverstärkten Matrixmaterial gebildet ist, ausgeglichen werden können, ohne den eigentlichen Grundbeziehungsweise Rakelkörper bearbeiten zu müssen. Diese Bearbeitung würde sich, beispielsweise, wenn ein Schleifen oder Polieren durchgeführt wird, unter Umständen nachteilig auf die Faser beziehungsweise Matrix auswirken und die Steifigkeit beziehungsweise Festigkeit des Rakelkörpers negativ beeinflussen. Ist eine Oberflächenbeschichtung auf dem Rakelkörper angeordnet, so kann diese in geeigneter Weise behandelt, beispielsweise geschliffen oder poliert werden, so dass sich die derart gebildete Rakel für hydrodynamisches Auftragsverfahren eignet.
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Je nach vorgesehenem Auftragsverfahren, hydrodynamisch oder volumetrisch, weist der Rakelkörper bevorzugt eine glatte beziehungsweise strukturierte Oberfläche auf. Die Oberflächenstrukturierung wird hierbei insbesondere durch eine mechanisch verformbare Zwischen- oder Abschlußschicht auf dem Rakelkörper zur Verfügung gestellt. Das heißt, bevorzugt wird ein Rakelkörper aus einer (Kunststoff)Matrix mit darin eingebetteten Fasern gebildet und auf diesen Rakel- beziehungsweise Grundkörper dann eine mechanisch verformbare Zwischen- oder Abschlußschicht aufgetragen in der die Strukturierung eingebracht wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rakelkörper einen wenigstens zweischichtigen Aufbau auf. Auf einen Grundkörper aus der mit Fasern verstärkten Matrix wird eine Zwischenschicht aus einem verformbaren Material, insbesondere aus einem Weichmetall, bevorzugt aus Kupfer oder Kupferlegierungen, aufgetragen. Auf diese Zwischenschicht erfolgt dann günstigerweise der Auftrag einer weiteren Schicht, beispielsweise der Abschlußschicht. Diese wird bevorzugt aus einem Hartstoff, insbesondere aus Titannitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Borcarbid, Wolframcarbid, Vanadiumcarbid, Titannitrid, Tantalnitrid, Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Metall oder Keramik, beziehungsweise Kombinationen daraus, gebildet und in einem der vorgenannten Verfahren aufgebracht. Vor dem Auftrag der Abschlußschicht kann in die verformbare Zwischenschicht eine geeignete Strukturierung eingebracht. Damit wird die Geometrie des Bauteils über die verformbare Zwischenschicht gebildet beziehungsweise bestimmt. Derart modifizierte Rakelkörper beziehungsweise Rakelgrundkörper eignen sich dann für volumetrische Auftragsverfahren, bei denen die Streichfarbe beziehungsweise das Bindemittel teilweise in der Rakel beziehungsweise Rakelwelle vorgehalten und für den Auftrag auf die Materialbahn zur Verfügung gestellt wird. Der Aufbau einer wie zuvor beschriebenen Rakel mit wenigstens zweischichtigem Aufbau bleibt selbstverständlich nicht auf die Zweischichtigkeit beschränkt. Es besteht zusätzlich oder alternativ die Möglichkeit hier weitere Schichten, beispielsweise eine Nutzschicht oder Abnutzungsschicht sowie eine zusätzliche Oberflächenbeschichtung, beispielsweise eine elastische Oberflächenbeschichtung, wie unten angegeben, auf zu bringen.
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Beim wenigstens zweischichtigen Aufbau ist es günstigerweise vorgesehen, dass die Zwischenschicht, insbesondere die Schicht aus einem verformbaren Material, eine Dicke von zwischen 1 µm und 200 µm, insbesondere von zwischen 50 µm und 150 µm, bevorzugt von zwischen 100 µm und 120 µm aufweist. Die auf die verformbare Zwischenschicht aufgebrachte Abschlußschicht beziehungsweise die direkt auf den Rakelkörper aufgebrachte Oberflächenbeschichtung kann bevorzugt eine Dicke von zwischen 0,1 µm und 150 µm, insbesondere von zwischen 5 µm und 120 µm, bevorzugt von zwischen 10 µm und 100 µm aufweisen.
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Ausgehend von der vorgesehenen Verwendungsart und Rakelgröße besteht die Möglichkeit und ist es erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen, dass der Rakelkörper als Vollkörper oder als Hohlkörper ausgebildet ist. Sind größere Dimensionen und Längen geplant, das heißt, besteht die Notwendigkeit, das Gewicht der Rakel, der Rakelwelle oder des Rakelkörpers weiter zu reduzieren, so wird die Verwendung eines Hohlkörpers, gebildet aus einem faserverstärkten Matrixmaterial als günstig angesehen. Bei kleineren Rakeldurchmessern und kürzeren Rakellängen besteht die Möglichkeit und wird es als vorteilhaft erkannt, wenn der Rakelkörper als Vollkörper ausgebildet ist.
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Um die Rakel in einer Papier- oder Textilveredelungs- oder Herstellungsmaschine anordnen zu können, ist es vorgesehen, dass der Rakelkörper eine Anschlußvorrichtung aufweist. Diese Anschlußvorrichtung kann beispielsweise aus in den Rakelkörper eingesetzten oder eingeformten Anschlußpunkten, Verbindungspunkten oder dergleichen ausgebildet sein. Als vorteilhaft erweist es sich, wenn die Anschlußvorrichtung aus dem gleichen Material wie der Rakelkörper gebildet ist. Dies ermöglicht es, die Anordnung der Anschlußvorrichtung bereits bei der Herstellung der Rakel beziehungsweise des Rakelkörpers vorzusehen. Alternativ hierzu wird es als günstig angesehen, wenn die Anschlußvorrichtung aus einem von dem Rakelkörper verschiedenen Material gebildet ist. Es besteht somit die Möglichkeit, dass zunächst der Rakelkörper beispielsweise aus einem faserverstärkten Matrixmaterial beziehungsweise einer Kombination aus faserverstärktem Matrixmaterial und einem aus beispielsweise Stahl oder dergleichen gebildeten Wellenkern hergestellt wird und die Anschlußvorrichtung danach an dem derart gebildeten Rakelkörper eingesetzt beziehungsweise angesetzt oder in diesen eingeformt wird.
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Als vorteilhaft wird angesehen, wenn der Rakelkörper eine elastische Oberflächenbeschichtung aufweist. Der die elastische Oberflächenbeschichtung aufweisende Rakelkörper kann dabei wie zuvor beschrieben ausgestaltet werden, das heißt, als ein- oder mehrschichtiger Körper mit oder ohne Beschichtung, Oberflächenbeschichtung oder Abschlußschicht auf der Rakelkörperoberfläche. Auf den Rakelkörper wird, wie in der beschriebenen Ausführungsform vorgesehen, eine elastische Oberflächenbeschichtung aufgebracht. Diese führt zu einem weiter verbesserten Strichauftrag, da aufgrund der Elastizität der Oberfläche ein teilweises Eindringen in die Materialbahnstruktur stattfindet, das mit einem verbesserten Farb- beziehungsweise Strich- oder Bindemittelauftrag einhergeht. Die elastische Oberflächenbeschichtung wird insbesondere durch Aufspritzen, Aufschäumen, Aufvulkanisieren oder Aufziehen eines Elastomermaterials auf den Rakelkörper gebildet. Als günstig wird angesehen, wenn das Elastomermaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus elastischem Polyurethan, elastischem Polystyrol, elastischem Polyethylen, Ethylenvinylacetat (EVA), Polyvinylacetat (PVA), natürlichem oder künstlichem Kautschuk, Latex, Silikon, elastischen Polymeren oder Kombinationen aus den vorgenannten Elastomermaterialien.
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Alternativ kann die Oberflächenbeschichtung in Form eines Schlauches oder einer Hülse aus dem Elastomermaterial gebildet und auf den Rakelkörper aufgezogen, aufgeschrumpft oder aufgeklebt beziehungsweise in sonstiger geeigneter Art und Weise mit dem Rakelkörper verbunden werden.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Rakelwelle ist bevorzugt als direktes oder indirektes Streichwerkzeug ausgebildet. Bei einer Ausbildung als direktes Streichwerkzeug wirkt die Rakel, die als Rakelwelle oder Rakelmesser ausgebildet sein kann, direkt auf eine Materialbahn und bewirkt hier einen hydrodynamischen oder volumetrischen Auftrag der Streichfarbe beziehungsweise des Bindemittels. Bei der Ausbildung als indirektes Streichwerkzeug wirkt die Rakel, die auch in diesem Fall als Rakelmesser oder Rakelwelle ausgebildet sein kann, indirekt über eine Auftragswalze auf eine Materialbahn. Der Strich beziehungsweise die Streichfarbe beziehungsweise das Bindemittel wird zunächst auf die Auftragswalze gleichmäßig aufgetragen und von ihr auf die Materialbahn übertragen. In beiden Fällen ist die Qualität des Bindemittels beziehungsweise Streichfarbenauftrags entscheidend für die Qualität des Strichs und des damit veredelten Papiers beziehungsweise der damit veredelten Materialbahn.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Rakel als Rakelwelle, insbesondere drehbare Rakelwelle ausgebildet ist. Der Durchmesser der Rakelwelle liegt hierbei insbesondere bei zwischen 8 mm und 75 mm. Insbesondere liegt der Durchmesser bei zwischen 10 mm und 50 mm. Als bevorzugt wird ein Rakelwellendurchmesser von zwischen 15 mm und 38 mm vorgesehen. Die vorgenannten Durchmesserwerte sind nicht beschränkend, es sind Rakel beziehungsweise Rakelwellen mit größeren beziehungsweise kleineren Durchmessern gleichermaßen von der Erfindung umfasst. Der Rakeldurchmesser wiederum hat, wie bereits ausgeführt, Auswirkungen auf die Auswahl der Form beziehungsweise Ausformung des Rakelgrundkörpers. Rakelwellen mit größeren Durchmessern werden bevorzugt jedoch nicht ausschließlich aus Faserhalbzeugen, beispielsweise Rohren oder dergleichen, hergestellt, während Rakelwellen mit geringeren Durchmessern als Vollkörper hergestellt werden (können). Die letztendliche Auswahl bleibt jedoch nicht auf die Vorgenannten beschränkt. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, dass kleinere Durchmesser aus Faserhalbzeugen gebildet werden, während Rakelwellen mit größerem Durchmesser aus einem Vollmaterial bestehen. Möglich sind auch Kombinationen.
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In einer als vorteilhaft angesehenen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rakelwelle weist diese einen aus einem dauerhaften Material, insbesondere Stahl, gebildeten Wellenkern auf, auf dem die Matrix beziehungsweise die faserverstärkte Matrix angeordnet ist. Der Wellenkern kann hierbei beispielsweise als Grund- oder Formgebungsvorrichtung für die aufgebrachte Matrix Verwendung finden und wird mit Fasern beziehungsweise Faserbündeln, -flechten, -gelegen oder -geweben belegt und danach mit dem Matrixmaterial beschichtet, beaufschlagt oder imprägniert beziehungsweise injiziert. Alternativ hierzu kann eine den Wellenkern umschließende Hülse aus faserverstärktem Matrixmaterial gebildet werden, die auf den Wellenkern aufgeschoben und mit diesem verklebt wird. Insgesamt trägt diese Ausführungsform dazu bei, das Gewicht der fertiggestellten Rakel zu reduzieren, da die Möglichkeit besteht, einen durchmesserschwächeren und damit leichteren Wellenkern zu verwenden und den Enddurchmesser der Rakelwelle durch entsprechenden Auftrag des faserverstärkten Kunststoffmaterials zu erreichen. Gegenüber einem aus einem Vollmaterial, beispielsweise Edelstahl gebildeten Wellenkern weist die somit hergestellte Rakel ein wesentlich reduziertes Gewicht bei zugleich erhöhter Festigkeit und Steifigkeit auf.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Rakelwelle aus einem Rohr, insbesondere aus einem eine mit Fasern verstärkte Matrix aufweisenden Rohr gebildet ist. Hierbei kann beispielsweise der Rakelkörper beziehungsweise Rakelgrundkörper, der die Rakelwelle bildet, aus einem faserverstärkten Rohr hergestellt werden, in das Anschlußpunkte oder eine Anschlußvorrichtung, wie zuvor bereits ausgeführt, eingesetzt oder eingebettet beziehungsweise eingeklebt oder eingeformt wird. Diese Ausgestaltung der Rakel weist gegenüber der Verwendung eines Vollmaterials ein reduziertes Gewicht auf, erzielt jedoch vergleichbare oder gar bessere Steifigkeits- und Festigkeitswerte, als beispielsweise aus Stahl gebildete Rakelwellen.
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Neben der Ausgestaltung der Rakel als Rakelwelle besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, dass die Rakel einen als Messer oder Band ausgebildeten Rakelkörper aufweist. Dieser Rakelkörper wird wie zuvor ausgeführt hergestellt und kann sowohl aus einem Vollmaterial gebildet als auch als Hohlkörper ausgebildet werden. Der als Messer oder Band ausgebildete Rakelkörper kann entsprechende Oberflächenbeschichtungen beziehungsweise -modifizierungen aufweisen und eignet sich für ein direktes oder indirektes Auftragsverfahren der Streichfarbe beziehungsweise des Bindemittels.
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In der Zeichnung ist die Erfindung insbesondere in einem Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Es zeigt:
- 1 eine Rakelwelle, die Fasern mit unidirektionaler Ausrichtung aufweist;
- 2 eine aus einem Fasergeflecht gebildete Rakelwelle;
- 3 den Schichtaufbau einer bevorzugten Ausführungsform der Rakelwelle.
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In den Figuren sind gleiche oder einander entsprechende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden daher, sofern nicht zweckmäßig, nicht erneut beschrieben.
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1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rakel 1 . Diese weist einen Rakelkörper 4 auf, der aus einer mit Fasern 3 verstärkten Matrix 8 gebildet ist. Als Fasern 3 sind im Ausführungsbeispiel Endlosfasern vorgesehen die eine sich über nahezu die gesamte Länge der Rakel 1 erstreckende Länge aufweisen. Die Fasern 3 werden als Rovings eingesetzt und sind in das Material der Matrix 8 eingebettet. Dieses Material der Matrix 8 ist im Ausführungsbeispiel ein Thermoplast, wobei die Auswahl des Materials hierauf nicht beschränkt bleibt. Verwendet werden können sämtliche als geeignet erscheinende Duroplaste beziehungsweise Thermoplaste oder Kombinationen daraus.
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Die zu Rovings gebündelten Fasern 3 sind im Ausführungsbeispiel organische Verstärkungsfasern und hier insbesondere Kohlenstofffasern. Diese wirken in geeigneter Art und Weise mit der Matrix 8 zusammen und bewirken eine im Vergleich zu herkömmlichen, aus Stahl gebildeten Rakeln 1 erhöhte Festigkeit und Steifigkeit bei wesentlich verringertem Gewicht. In 1 ist der Rakelkörper 4 teilweise geschnitten dargestellt, so dass die innere Struktur, bestehend aus in die Matrix 8 eingebetteten Fasern 3, erkennbar wird. Generell besteht die Möglichkeit, dass die Rakel 1 aus einem Rohr gebildet ist, das aus dem mit Fasern 3 verstärkten Material der Matrix 8 besteht. Daneben kann die Rakel 1 selbstverständlich auch als Vollkörper ausgebildet werden. Die Gewichtsersparnis gegenüber einem aus Stahl gebildeten Vollkörper ist hierbei vollständig gegeben.
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Auf den aus dem mit Fasern 3 durchsetzten Material der Matrix 8 gebildeten Rakelkörper 4 ist eine Oberflächenbeschichtung 2 aufgebracht. Es bestehen hier wenigstens zwei Varianten für die Ausbildung der Oberflächenbeschichtung 2, zum einen kann diese als Hartstoffbeschichtung ausgebildet sein, die direkt auf den Rakelkörper 4 aufgebracht wird. Diese Beschichtung erlaubt ein nachträgliches Schleifen beziehungsweise Polieren der Rakel 1, so dass diese insbesondere für hydrodynamische Auftragsverfahren Verwendung finden kann. Daneben besteht die Möglichkeit, dass die Oberflächenbeschichtung 2 aus einem verformbaren Material gebildet ist, so dass hier nachträglich Strukturen in die Oberfläche der Rakel 1 eingebracht werden können, wenn diese beispielsweise für ein volumetrisches Auftragsverfahren zur Verfügung gestellt werden soll. Die Fasern 3 beziehungsweise die aus den Fasern 3 gebildeten Bündel weisen eine unidirektionale Ausrichtung in Längsrichtung der Rakel 1 auf.
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Alternativ hierzu kann, wie dies in 2 dargestellt ist, ein Fasergeflecht 5 verwendet werden, bei dem zusätzlich zu den in Längsrichtung der Rakel 1 ausgerichteten Fasern im Wesentlichen senkrecht oder auch insbesondere unter einem Winkel von 45° bis 90° hierzu angeordnete Fasern 3 vorgesehen sind. Die Auswahl der Ausrichtung der Fasern 3 ist abhängig von der letztendlichen Verwendung der Rakel 1 beziehungsweise der Richtung der eingeleiteten und auszuleitenden Kräfte. Wird ein Fasergeflecht 5 für die Herstellung der Rakel 1 beziehungsweise des Rakelkörpers 4 verwendet, so kann der Rakelkörper 4 als Faserhalbzeug zur Verfügung gestellt werden. Nach Formgebung und Einlegung beispielsweise in ein Formnest kann dann das Halbzeug, das aus trockenen oder vorimprägnierten Fasern 3 hergestellt werden kann, mit dem Material der Matrix 8 imprägniert und anschließend die Rakel gehärtet werden. Alternativ kann ein Injektionsverfahren angewendet werden, bei dem das Material der Matrix 8 in das Fasergeflecht 5 injiziert und anschließend in geeigneten Verfahren ausgehärtet beziehungsweise geformt wird.
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Auch im Ausführungsbeispiel der 2 sind die Fasern ausgewählt aus organischen Verstärkungsfasern. Insbesondere die Verwendung von Aramid oder Kohlenstofffasern erweist sich als vorteilhaft. Das Material der Matrix 8 kann wiederum ausgewählt werden aus Thermoplasten oder Duroplasten, wobei insbesondere aus einer geeigneten Kombination von Material der Matrix 8 und Material der Fasern 3 eine Beeinflussung der Eigenschaften der fertigen Rakel 1 erfolgt. Ebenfalls Auswirkungen hat dies auf die Haltbarkeit der Rakel 1 . In jedem Fall wird gegenüber herkömmlichen Rakeln 1 beziehungsweise Rakelkörpern 4 eine wesentliche Gewichtsreduzierung realisiert. Diese bewirkt zum einen eine Energieeinsparung beim Betrieb der Rakel, zum anderen wird so eine Durchbiegung beziehungsweise Form- oder Maßänderung der Rakel verhindert und der Auftrag des Bindemittels beziehungsweise der Streichfarbe auf die Materialbahn beziehungsweise eine im indirekten Auftragsverfahren verwendete Auftragswalze wesentlich verbessert, der Auftrag somit vergleichmäßigt und die Qualität des fertig veredelten Produktes erhöht.
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3 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rakel 1 . Diese weist ebenfalls einen Rakelgrundkörper 4 auf, der in das Material einer Matrix 8, beispielsweise ein Kunststoffmaterial oder dergleichen, eingebettete organische oder anorganische Fasern 3 aufweist. Auf diesen Rakelgrundkörper 4 wurde im Ausführungsbeispiel eine Zwischenschicht 6 aufgetragen. Diese besteht aus einem mechanisch verformbaren Material, insbesondere einem Weichmetall. Als besonders geeignet erweist sich hierbei Kupfer oder eine Kupferlegierung. In diese Zwischenschicht 6 werden, durch mechanische Verformung Strukturen eingebracht. Die Dicke der Zwischenschicht 6 ist dabei so gewählt, dass eine Oberflächenstrukturierung der Rakel 1 beziehungsweise des Rakelkörpers 4 durchgeführt werden kann, wobei durch die Verformung die Geometrie des Bauteils definiert wird. Rakeln 1 mit strukturierten Oberflächen eigenen sich zur Verwendung in volumetrischen Auftragsverfahren, da sich in den Strukturen das Bindemittel beziehungsweise die Streichfarbe sammelt und bei Rotation der Rakel 1 an die Materialbahn abgegeben wird. Auf der Zwischenschicht 6 befindet sich eine Abschlussschicht 7 . Diese kann, wie bereits zuvor die Oberflächenbeschichtung 2, aus einem Hartstoff, insbesondere aus Titannitrid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Borcarbid, Wolframcarbid, Vanadiumcarbid, Titannitrid, Tantalnitrid, Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Metall oder Keramik gebildet werden. Die Abschlussschicht 7 bedeckt die Zwischenschicht vollständig und verhindert deren frühzeitigen Abrieb.
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In den Abbildungen wird die erfindungsgemäße Rakel 1 stets als Rakelwelle mit einem rotatorisch antreibbaren Rakelkörper 4 dargestellt. Die Erfindung bleibt jedoch nicht auf diese Ausführungsform der Rakel beschränkt, sondern umfasst gleichermaßen auch Rakeln 1, deren Rakelkörper als Messer oder Band ausgebildet sind. Derartige Rakelkörper 4 können in gleicher Art und Weise, wie zuvor im Zusammenhang mit der wellenartigen Ausgestaltung des Rakelkörpers 4 dargestellt, gebildet werden. Auch hier kommt, bei entsprechenden Längen der Rakel 1 die Gewichtsersparnis und die erhöhte Steifigkeit und Festigkeit des Streichwerkzeuges bei der Verwendung von mit Fasern 3 verstärkten Matrizes 8 zum Tragen.
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Die gezeigten Rakelkörper sowie sämtliche weiteren Ausführungsformen davon, die in den Abbildungen nicht dargestellt sind, werden in den für die Verarbeitung von mit Fasern 3 verstärkten Matrizes 8 geeigneten und bekannten Verfahren, zum Beispiel Autoklavverfahren, Faserspritzverfahren, Pressverfahren, Pultrusionsverfahren, Spritzgußverfahren, Wickelverfahren oder Handlaminierverfahren hergestellt. Entscheidend für die Eigenschaften der Rakel 1 ist, neben der Ausrichtung der Fasern 3, auch die innige Verbindung beziehungsweise Einbettung der Fasern 3 in das Material der Matrix 8, die hierdurch die Kräfteeinbeziehungsweise Ausleitung sichergestellt und eine Stabilisierung der Fasern 3 durch das Material der Matrix 8 erreicht wird.
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Die jetzt mit der Anmeldung und später eingereichten Ansprüche sind ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Schutzes.
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Sollte sich hier bei näherer Prüfung, insbesondere auch des einschlägigen Standes der Technik, ergeben, daß das eine oder andere Merkmal für das Ziel der Erfindung zwar günstig, nicht aber entscheidend wichtig ist, so wird selbstverständlich schon jetzt eine Formulierung angestrebt, die ein solches Merkmal, insbesondere im Hauptanspruch, nicht mehr aufweist. Auch eine solche Unterkombination ist von der Offenbarung dieser Anmeldung abgedeckt.
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Es ist weiter zu beachten, daß die in den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung beliebig untereinander kombinierbar sind. Dabei sind einzelne oder mehrere Merkmale beliebig gegeneinander austauschbar. Diese Merkmalskombinationen sind ebenso mit offenbart.
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Die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Jedoch sind diese nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen.
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Merkmale, die nur in der Beschreibung offenbart wurden, oder auch Einzelmerkmale aus Ansprüchen, die eine Mehrzahl von Merkmalen umfassen, können jederzeit als von erfindungswesentlicher Bedeutung zur Abgrenzung vom Stande der Technik in den oder die unabhängigen Anspruch/Ansprüche übernommen werden, und zwar auch dann, wenn solche Merkmale im Zusammenhang mit anderen Merkmalen erwähnt wurden beziehungsweise im Zusammenhang mit anderen Merkmalen besonders günstige Ergebnisse erreichen.
