DE102011082630A1 - Knife pourer for high-viscosity coating materials - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gießkopf mit einer sich von einer Zulauföffnung (4) zu einer Ablauföffnung (5) erstreckenden rohrförmigen Verteilkammer (1) und einem Zufuhrspalt (2), der zumindest entlang eines Teils der Länge der im Inneren des Gießkopfes (10) angeordneten Verteilkammer (1) seitlich an diese anschließt und sich zur Ausbildung einer Öffnung der Verteilkammer zu einer Oberfläche (6) des Gießkopfes (10) von der Verteilkammer (1) bis zu dieser Oberfläche (6) erstreckt, wobei der Querschnitt des Zufuhrspaltes (2) entlang der Länge des Zufuhrspaltes variiert.The present invention relates to a pouring head having a tubular distribution chamber (1) extending from an inlet opening (4) to a drain opening (5) and a feed gap (2) arranged at least along part of the length of the inside of the casting head (10) Distribution chamber (1) laterally adjoins this and extending to form an opening of the distribution chamber to a surface (6) of the casting head (10) from the distribution chamber (1) to this surface (6), wherein the cross section of the feed gap (2) varies along the length of the feed gap.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Auftragswerke zum kontinuierlichen Auftrag von viskosen Beschichtungsmassen auf Folienbahnen und insbesondere auf ein Auftragswerk zum Herstellen von Beschichtungen mit gleichmäßigen Schichtdicken.The present invention relates to applicators for the continuous application of viscous coating compositions on film webs and in particular to a coater for producing coatings with uniform layer thicknesses.
Auftragswerke zum kontinuierlichen Beschichten von Folienbahnen mit viskosen Beschichtungsmassen umfassen in der Regel einen Bereich, an dem eine Beschichtungsmasse von einem sogenannten Gießer in definierter Dosierung auf die Folienbahn aufgebracht wird. Je nach Beschichtungsaufgabe bzw. Formulierung der Beschichtungsmasse kommen dabei unterschiedliche Gießer wie z. B. Extrusionsgießer, Pflatschgießer, Streichrakelgießer, Anspülgießer, Rollen- bzw. Walzengießer oder Schlitzgießer, und hiervon insbesondere Messergießer, zum Einsatz.Coating units for the continuous coating of film webs with viscous coating compositions generally comprise an area where a coating composition of a so-called foundry is applied to the film web in a defined dosage. Depending on the coating task or formulation of the coating material are different foundries such. B. extrusion casting, Pflatschgießer, Streichrakelgießer, Anspülgießer, roller or Walzengießer or Schlitzgießer, and in particular knife pourers, for use.
Beschichtungen zur Herstellung von Wirkstoffdepots für transdermale therapeutische Systeme (TTS) erfordern einen besonders gleichmäßigen Schichtauftrag, da dieser neben einer homogenen Wirkstoffverteilung in der Beschichtungsmasse Voraussetzung für eine gezielte Dosierung transdermal verabreichter Wirkstoffe ist. Messergießer ermöglichen einen präzise dosierbaren, gleichmäßigen Auftrag von Beschichtungsmassen auf Folienbahnen und werden daher häufig zur Herstellung von Wirkstoffdepots für transdermale therapeutische Systeme verwendet.Coatings for the preparation of drug depots for transdermal therapeutic systems (TTS) require a particularly uniform coating order, since this is in addition to a homogeneous distribution of active ingredients in the coating material a prerequisite for targeted dosing of transdermally administered drugs. Knife pourers enable a precisely metered, uniform application of coating compositions to film webs and are therefore often used for the production of drug depots for transdermal therapeutic systems.
Messergießer weisen als Kernelement einen Gießkopf mit einer im Inneren angeordneten rohrförmigen Verteilkammer auf, die entlang ihrer Länge über einen schlitzförmigen Spalt zu einer Seite des Gießkopfes hin geöffnet ist. Zum Beschichten wird die Verteilkammer bei Standardmessergießern der Länge nach von der Beschichtungsmasse bzw. dem Beschichtungsmaterial durchströmt, wobei der Verteilkammer die Beschichtungsmasse zu diesem Zweck an einem als Zulauf ausgebildeten Ende zugeführt und über das als Ablauf ausgebildete andere Ende abgeführt wird. Der Druck der Beschichtungsmasse in der Verteilkammer ist höher als der Umgebungsdruck des Gießkopfes, so dass ein Teil der über den Zulauf zugeführten Beschichtungsmasse über den schlitzförmigen Spalt zur Außenseite des Gießkopfes geführt wird. Die über diesen Zufuhrspalt aus dem Gießkopf austretende Beschichtungsmasse benetzt die benachbart entlanggeführte Folienbahn, so dass sie von dieser mitgeführt wird und auf dieser in der Folge eine Lage aus Beschichtungsmaterial ausbildet. Die Länge des Zufuhrspaltes bestimmt dabei die Breite der auf die Folie aufgebrachten Beschichtungslage.Knife pourers have, as a core element, a pouring head with a tubular distribution chamber arranged in the interior, which is open along its length via a slot-shaped gap to one side of the pouring head. For coating, the distribution chamber is flowed through by the coating compound or the coating material in standard knife pourers, the coating chamber being supplied with the coating composition for this purpose at an end designed as an inlet and being discharged via the other end formed as a drain. The pressure of the coating composition in the distribution chamber is higher than the ambient pressure of the casting head, so that part of the coating material supplied via the inlet is guided via the slot-shaped gap to the outside of the casting head. The coating compound emerging from the casting head via this feed gap wets the film web which is guided along adjacent thereto, so that it is carried along by it and forms a layer of coating material thereon as a consequence. The length of the feed gap determines the width of the coating layer applied to the film.
Die Dicke einer wie beschrieben aufgetragenen Beschichtungslage wird im Wesentlichen vom Fluss des Beschichtungsmaterials durch den Zufuhrspalt, den Abstand zwischen Zufuhrspalt und Folienbahn, die Viskosität des Beschichtungsmaterials und die Geschwindigkeit der Folienbahn relativ zum Zufuhrspalt bzw. Messergießer bestimmt. Der Fluss des Beschichtungsmaterials durch den Zufuhrspalt ist seinerseits eine Funktion des in der Verteilkammer herrschenden Drucks sowie der Höhe und Breite des Zufuhrspaltes. Eine analytische Bestimmung der für eine bestimmte Beschichtungsdicke erforderlichen Parameter ist im Prinzip möglich, wird jedoch in der Praxis durch eine experimentelle Bestimmung, häufig unter Heranziehen von Erfahrungswerten, ergänzt bzw. ersetzt.The thickness of a coating layer applied as described is essentially determined by the flow of the coating material through the feed gap, the gap between the feed nip and the film web, the viscosity of the coating material and the speed of the film web relative to the feed nip. The flow of coating material through the supply nip in turn is a function of the pressure prevailing in the distribution chamber and the height and width of the supply nip. An analytical determination of the parameters required for a given coating thickness is possible in principle, but is supplemented or replaced in practice by an experimental determination, often based on empirical values.
Eine über die Breite der Folienbahn gleichmäßige Beschichtungsdicke setzt einen über die Länge des Zufuhrspaltes gleichmäßigen Materialfluss der Beschichtungsmasse voraus. Dieser ist dann gegeben, wenn der Druckabfall entlang der Strömungsrichtung der Verteilkammer vernachlässigbar ist. Gleiche Strömungsgeschwindigkeit der Beschichtungsmasse in der Verteilkammer vorausgesetzt, ist der Druckabfall zwischen Zulauf und Ablauf der Verteilkammer eine Funktion des Abstands zwischen Zu- und Ablauf sowie der Viskosität des Beschichtungsmaterials. Je höher die Viskosität des Beschichtungsmaterials bzw. je größer der Abstand zwischen Zu- und Ablauf der Verteilkammer, desto größer ist der Druckunterschied. Es hat sich gezeigt, dass der Druckabfall bei den heute für die Herstellung transdermaler therapeutischer Systeme verwendeten Beschichtungsbreiten von zur Zeit bis zu 1500 mm in Verbindung mit den hierfür verwendeten neuen wirkstoffhaltigen Beschichtungsmassen mit Viskositäten im Bereich von etwa 500 bis etwa 5000 mPas nicht mehr vernachlässigbar ist und zu Änderungen der Beschichtungsdicke über die Breite der Folienbahn führt, die außerhalb der einzuhaltenden Toleranzen liegen.A uniform coating thickness across the width of the film web requires a uniform material flow of the coating composition over the length of the feed gap. This is given when the pressure drop along the flow direction of the distribution chamber is negligible. Provided the same flow rate of the coating composition in the distribution chamber, the pressure drop between inlet and outlet of the distribution chamber is a function of the distance between inlet and outlet and the viscosity of the coating material. The higher the viscosity of the coating material or the greater the distance between inlet and outlet of the distribution chamber, the greater the pressure difference. It has been found that the pressure drop in the coating widths currently used for the production of transdermal therapeutic systems of currently up to 1500 mm in conjunction with the new active substance-containing coating compositions used therewith having viscosities in the range of about 500 to about 5000 mPas is no longer negligible and leads to changes in the coating thickness across the width of the film web, which lie outside the tolerances to be maintained.
Eine Minderung der durch den Druckabfall entlang der Längsrichtung der Verteilkammer bedingten Schichtdickenvariation kann erreicht werden, indem das zum Zulauf der Verteilkammer weisende Ende des Zufuhrspaltes näher an der Folienbahn angeordnet wird als das zum Ablauf der Verteilkammer weisende Ende des Zufuhrspaltes. Eine Kompensation der Schichtdickenvariation durch eine entsprechend geneigte Ausrichtung eines Messergießers ist jedoch nur in geringem Maße möglich, insbesondere da der Druck längs der Verteilkammer nicht linear abfällt und somit auch der von der Verteilkammer in den Zufuhrspalt eingebrachte Fluss der Beschichtungsmasse nichtlinear entlang der Länge des Gießkopfes variiert.A reduction in the layer thickness variation caused by the pressure drop along the longitudinal direction of the distribution chamber can be achieved by placing the end of the supply gap facing the inlet of the distribution chamber closer to the film web than the end of the supply gap facing the outlet of the distribution chamber. However, a compensation of the layer thickness variation by a correspondingly inclined alignment of a Meßergießers is only to a small extent possible, in particular because the pressure along the distribution chamber does not decrease linearly and thus also the introduced from the distribution chamber into the feed gap flux of the coating composition varies nonlinearly along the length of the casting head ,
Zur Minderung einer durch den Druckabfall in der Verteilkammer bedingten Variation der Beschichtungsdicke können auch mehrere Beschichtungsmaterialströme in der Verteilkammer erzeugt werden. Beispielsweise kann die Beschichtungsmasse mittig zur Verteilkammer eingespeist und dann an deren beiden stirnseitigen Enden abgeführt werden. Der umgekehrte Fall mit einer beidseitigen Einspeisung und einem zentralen Abführen der Beschichtungsmasse ist ebenfalls möglich. Da jeder Teilstrom der Beschichtungsmasse bei solchen Mehrstromgießköpfen nur die halbe Wegstrecke zurücklegt, werden die Druckabfälle in der Verteilkammer auf die Hälfte reduziert. Durch Verwendung mehrerer Zu- und Abläufe können die Druckabfälle entlang der Länge der Verteilkammer weiter reduziert werden. Allerdings sind entsprechende Konstruktionen nicht nur sehr aufwändig in der Herstellung, sondern erfordern im Einsatz eine genaue Abstimmung der einzelnen Teilströme. Zudem lassen sich Schwankungen der Beschichtungsdicke mit Mehrstromgießköpfen zwar verkleinern, aufgrund der, wenn auch reduzierten so doch stets vorhandenen Druckabfälle in der Verteilkammer jedoch nicht gänzlich vermeiden. In order to reduce a variation of the coating thickness caused by the pressure drop in the distribution chamber, it is also possible to produce a plurality of coating material streams in the distribution chamber. For example, the coating composition can be fed centrally to the distribution chamber and then discharged at its two front ends. The reverse case with a feed on both sides and a central discharge of the coating mass is also possible. Since each partial flow of the coating material in such Mehrstromgießköpfen covers only half the distance, the pressure drops in the distribution chamber are reduced to half. By using multiple inlets and outlets, the pressure drops along the length of the distribution chamber can be further reduced. However, such constructions are not only very expensive to manufacture, but in use require an exact coordination of the individual partial flows. In addition, variations in the coating thickness with multi-flow casting heads can indeed be reduced, but not completely avoided due to the reduced but nevertheless always present pressure drops in the distribution chamber.
Es ist daher wünschenswert Messergießer anzugeben, die mit einfachen Mitteln eine gleichmäßige Beschichtung von Folienbahnen ermöglichen.It is therefore desirable to specify knife pourers which enable a uniform coating of film webs by simple means.
Ausführungsformen entsprechender Messergießer umfassen einen Gießkopf mit einer sich von einer Zulauföffnung zu einer Ablauföffnung erstreckenden rohrförmigen Verteilkammer und einem Zufuhrspalt, der zumindest entlang eines Teils der Länge der im Inneren des Gießkopfes angeordneten Verteilkammer seitlich an diese anschließt. Der Zufuhrspalt erstreckt sich dabei zur Ausbildung einer Öffnung der Verteilkammer zu einer Oberfläche des Gießkopfes von der Verteilkammer bis zu dieser Oberfläche, wobei der Querschnitt des Zufuhrspaltes entlang der Länge des Zufuhrspaltes variiert.Embodiments of corresponding knife pourers comprise a pouring head with a tubular distribution chamber extending from an inlet opening to a drain opening and a feed gap which laterally adjoins the distribution chamber arranged at least along part of the length of the distribution chamber arranged in the interior of the casting head. The feed gap extends to form an opening of the distribution chamber to a surface of the casting head from the distribution chamber to this surface, wherein the cross section of the feed gap varies along the length of the feed gap.
Bei Ausführungsformen entsprechender Gießköpfe ist die Variation des Querschnitts des Zufuhrspaltes vorzugsweise als Variation des Höhen-zu-Breiten-Verhältnisses des Zufuhrspaltes entlang dessen Längsrichtung ausgebildet, wodurch ein bezüglich der Längsrichtung des Zufuhrspaltes variierender Strömungswiderstand erzielt wird.In embodiments of respective casting heads, the variation of the cross-section of the feed gap is preferably formed as a variation of the height-to-width ratio of the feed gap along its longitudinal direction, whereby a flow resistance varying with respect to the longitudinal direction of the feed gap is achieved.
Ausgestaltungen solcher Ausführungsformen weisen vorteilhaft eine konstante Breite des Zufuhrspaltes und eine entlang der Längsrichtung des Zufuhrspaltes variierende Höhe des Zufuhrspaltes auf, wodurch der Zufuhrspalt besonders einfach hergestellt werden kann. Hiervon bevorzugte Ausgestaltungen weisen eine in Richtung des Ablaufs der Verteilkammer hin abnehmende Verlaufsform der Höhe des Zufuhrspaltes auf, wodurch der Druckabfall in der Verteilkammer auf einfache Weise kompensiert werden kann.Embodiments of such embodiments advantageously have a constant width of the feed gap and a varying along the longitudinal direction of the feed gap height of the feed gap, whereby the feed gap can be made particularly simple. Preferred embodiments thereof have a progression shape of the height of the feed gap which decreases in the direction of the flow of the distribution chamber, whereby the pressure drop in the distribution chamber can be compensated in a simple manner.
Andere Ausgestaltungen solcher Ausführungsformen weisen vorteilhaft eine konstante Höhe des Zufuhrspaltes bei entlang der Längsrichtung des Zufuhrspaltes variierender Breite des Zufuhrspaltes auf, wobei sich die Breite des Zufuhrspaltes dabei auch entlang der von der Verteilkammer zur Oberfläche des Gießkopfes weisenden Richtung verändern kann. Solche Zufuhrspaltgeometrien sind mittels herkömmlichen Materialabtragsverfahren wie z. B. Fräsen einfach herzustellen. Vorzugsweise weist hierbei die Breite des Zufuhrspaltes eine in Richtung des Ablaufs der Verteilkammer hin zunehmende Verlaufsform auf. Bei speziellen Ausgestaltungen hiervon ist die Breite des Zufuhrspaltes an der Oberfläche des Gießkopfes konstant und weitet sich, eventuell abgesehen vom einlaufseitigen Ende des Zufuhrspaltes, sowohl in Richtung zur Verteilkammer als auch in Richtung zum ablaufseitigen Ende des Zufuhrspaltes hin auf. Eine solche Geometrie ermöglicht eine Variation des Strömungswiderstands entlang des Zufuhrspaltes ohne die Benetzungsbedingungen entlang der Auslassöffnung des Zufuhrspaltes zu verändern.Other embodiments of such embodiments advantageously have a constant height of the feed gap at along the longitudinal direction of the feed gap varying width of the feed gap, wherein the width of the feed gap can also change along the direction of the distribution chamber to the surface of the casting head direction. Such Zufuhrspaltgeometrien are by conventional material removal methods such. B. milling easy to produce. In this case, the width of the feed gap preferably has a progression shape which increases in the direction of the outlet of the distribution chamber. In specific embodiments thereof, the width of the feed gap on the surface of the casting head is constant and widens, possibly apart from the inlet end of the feed gap, both towards the distribution chamber and toward the downstream end of the feed gap. Such a geometry allows a variation of the flow resistance along the feed gap without altering the wetting conditions along the discharge opening of the feed gap.
Zur Kompensation eines nichtlinearen Druckabfalls in der Verteilkammer weisen bevorzugte Ausführungsformen eine nichtlineare Charakteristik der Verlaufsform des Höhen-zu-Breiten-Verhältnisses des Zufuhrspaltes auf. Vorzugsweise wird eine solche nichtlineare Charakteristik unter Verwendung einer Berechnung nach einem mathematischen Modell der Strömungsmechanik eines Beschichtungsmaterials im Gießkopf ermittelt, wobei experimentelle Bestimmungen hinzugezogen werden können. Alternativ wird die nichtlineare Charakteristik rein experimentell bestimmt.To compensate for a non-linear pressure drop in the distribution chamber, preferred embodiments have a non-linear characteristic of the shape of the height-to-width ratio of the supply nip. Preferably, such a non-linear characteristic is determined using a mathematical model of the fluid mechanics of a coating material in the casting head, whereby experimental determinations may be used. Alternatively, the non-linear characteristic is determined purely experimentally.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den beiliegenden Figuren. Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern durch den Umfang der beiliegenden Patentansprüche bestimmt ist. Insbesondere können bei erfindungsgemäßen Ausführungsformen die bei den nachstehend erläuterten Ausführungsbeispielen angeführten Merkmale in von den Beispielen abweichender Anzahl und Kombination verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, von denenFurther features of the invention will become apparent from the following description of embodiments in conjunction with the claims and the accompanying drawings. It should be noted that the invention is not limited to the embodiments of the described embodiments, but is determined by the scope of the appended claims. In particular, in the case of embodiments according to the invention, the features mentioned in the embodiments explained below can be realized in a number and combination that deviate from the examples. In the following explanation of some embodiments of the invention reference is made to the accompanying figures, of which
In den Figuren werden gleiche oder ähnliche Bezugszeichen für funktionell gleichwertige oder ähnliche Charakteristiken unabhängig von speziellen Ausführungsformen verwendet.In the figures, the same or similar reference numerals are used for functionally equivalent or similar characteristics, regardless of specific embodiments.
Während eines Beschichtungsvorgangs durchströmt die Beschichtungsmasse die Verteilkammer
In
Ein Teil der durch die Verteilkammer
Der Arbeitsabstand des Gießkopfes
Da ein Teil der die Verteilkammer
Eine Linearisierung des Druckabfalls entlang der Eintrittsöffnung des Zufuhrspaltes
Bei in Längsrichtung x bzw. l in Fläche und Geometrie gleichbleibendem Querschnitt der Verteilkammer
Die Verringerung der Zufuhrspalthöhe h(x) in Richtung zur Ablaufseite des Gießkopfes
Alternativ zur Ausbildung des Zufuhrspaltes
Bei einem Zufuhrspalt
Eine entsprechende Ausführungsform eines Zufuhrspaltes
Bei anderen Ausführungsformen ist die Breite des Zufuhrspaltes
In Relation (3) bezeichnet b0 einen konstanten Wert und y0 die Lage der Austrittsöffnung des Zufuhrspaltes
Aufgrund des nichtlinearen Druckabfalls entlang der Längsrichtung l der Verteilkammer sind die Seitenwände zur Ausbildung eines entlang der Länge der Austrittsöffnung des Zufuhrspaltes
Selbstverständlich kann bei Ausführungsformen eines Gießkopfes
Vorzugsweise ist ein Gießkopf
Ein entsprechend den Merkmalen einer wie oben beschriebenen Ausführungsform ausgebildeter Gießkopf
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