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Die Erfindung betrifft eine Walze zum Übertragen eines Druckbildes oder einer Tonerschicht auf ein anderes Element in einem Drucker oder Kopierer, wobei die Walze einen Grundkörper und eine auf dem Grundkörper aufgebrachte erste elastische Schicht aufweist.
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In Druckern und Kopierern werden Druckbilder und Tonerschichten häufig von einer Walze auf eine andere Walze übertragen. Auch das Übertragen des Druckbildes auf den eigentlichen Bedruckstoff erfolgt häufig mit Hilfe von Walzen.
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Beim Übertragen der Tonerschicht bzw. des Druckbildes zwischen zwei Walzen ist es üblich, dass eine der beiden Walzen eine unelastische Oberfläche aufweist und die andere Walze elastomerbeschichtet ist. Auch das Übertragen des Druckbildes auf den Bedruckstoff erfolgt in der Regel mit einer elastomerbeschichteten Transferwalze, an der die Bedruckstoffbahn vorbeigeführt ist. Auf der der elastomerbeschichteten Transferwalze gegenüberliegenden Seite der Bedruckstoffbahn ist insbesondere wiederum eine harte, unelastische Walze angeordnet. Durch die Elastomerbeschichtung bildet sich ein Druckprofil innerhalb der Berührzone beim Übertragen des Druckbildes bzw. der Tonerschicht aus. Durch die Elastizität der elastischen Schicht kann dieses Druckprofil vergleichmäßigt werden.
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Dadurch erfolgt auch eine ausgleichende Wirkung bezüglich mechanischer Toleranzen und Verformungen. Somit wird eine bessere Druckqualität erzielt.
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Beim Gegeneinanderdrücken der Walze mit der elastischen Schicht und einer harten Walze ohne eine elastische Schicht wird die elastische Schicht verformt. Diese Verformung umfasst eine radiale und eine tangentiale Komponente, wobei durch die radiale Komponente die erwünschte Anpassung an Toleranzen und Verformungen erfolgt. Die tangentiale Komponente hängt von den elastischen Eigenschaften der Walzenbeschichtungen ab. Die Deformation kann dabei zu einer vergrößerten oder verkleinerten Kontaktzone zwischen den Walzen führen. Die tangentialen Verformungen sind umso stärker, je größer die Kraft ist, mit der die beiden Walzen gegeneinander gedrückt werden. Durch die tangentialen Verformungen der Kontaktzone zwischen den beiden Walzen erhöht sich die Oberflächengeschwindigkeit der beschichteten Walze gegenüber der harten Walze im Bereich des Kontaktes. Hierdurch entsteht eine im Druckprozess unerwünschte Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Walzen, die zu einer Beeinträchtigung der Druckqualität führt. Diese lokale Veränderung der Oberflächengeschwindigkeit wird im Allgemeinen als Förderverhalten bezeichnet.
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Besonders problematisch an dem Förderverhalten ist es, dass dieses nicht unbedingt über die gesamte Kontaktzone gleich ausgeprägt ist, sondern an unterschiedlichen Orten in Abhängigkeit des Abstandes zum Rand der Walze unterschiedlich groß sein kann. Dies hat zur Folge, dass ein Gegensteuern rein durch Veränderung der Antriebsgeschwindigkeiten der Walzen das Förderverhalten nie für alle Orte ganz ausgleichen könnte, und somit durch das Förderverhalten zumindest stellenweise immer noch Beeinträchtigungen der Druckqualität erfolgen.
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Darüber hinaus ist auch in tangentialer Richtung der Kontaktzone gesehen das Förderverhalten unterschiedlich, so dass ein entsprechendes Gegensteuern nicht möglich ist.
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Zum Minimieren des Förderverhaltens sind aus dem Offset-Druck Drucktücher bekannt, die aus mehreren Lagen von Elastomeren und starrem Gewebe bestehen. Die Anwendung solcher Drucktücher für Umdruckwalzen ist nicht möglich, da eine nahtlose Walzenbeschichtung erforderlich ist.
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Aus dem Dokument
WO 2007/077053 A1 ist eine Walzenbeschichtung bekannt, mit deren Hilfe eine definierte Kompressibilität des Materials durch Einbringen von Hohlräumen erreicht werden soll. Hierbei erfolgt eine Verstärkung durch ein Gitternetz. Problematisch hierbei ist, dass für den Umdruck ein homogenes elektrisches Feld zwischen den Walzen benötigt wird, was durch ein solches Gitternetz verhindern werden würde.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Walze zum Übertragen eines Druckbildes oder einer Tonerschicht auf ein anderes Element in einem Drucker oder Kopierer anzugeben, die ein minimales Förderverhalten aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Walze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß sind das Elastizitätsmodul der ersten elastischen Schicht und das Elastizitätsmodul der zweiten elastischen Schicht und/oder die Dicke der ersten elastischen Schicht und die Dicke der zweiten elastischen Schicht derart aufeinander abgestimmt, dass das Förderverhalten der Walze minimiert wird. Das Elastizitätsmodul der ersten elastischen Schicht und das Elastizitätsmodul der zweiten elastischen Schicht und/oder die Dicke der ersten elastischen Schicht und die Dicke der zweiten elastischen Schicht sind insbesondere derart aufeinander abgestimmt, dass das Förderverhalten geringer ist, als wenn die Walze nur eine Schicht mit dem Elastizitätsmodul der ersten Schicht oder der zweiten Schicht aufweisen würde.
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Durch den mindestens zweischichtigen Aufbau kann das Förderverhalten verglichen mit dem einschichtigen homogenen Aufbau deutlich reduziert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Walze einen Grundkörper, eine auf dem Grundkörper aufgebrachte erste elastische Schicht und eine auf der ersten elastischen Schicht aufgebrachte zweite elastische Schicht auf, wobei das Verhältnis des Elastizitätsmoduls der ersten Schicht zum Elastizitätsmodul der zweiten Schicht zwischen 0,15 und 0,45 liegt.
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Versuche und Berechnungen, insbesondere FEM-Berechnungen, haben ergeben, dass die Verwendung von Walzen mit zwei elastischen Schichten, deren Elastizitätsmodule in einem Verhältnis zwischen 0,15 und 0,45 liegen, ein besonders geringes Förderverhalten aufweisen, welches deutlich geringer ist, als es sich aufgrund der Dicke und des Elastizitätsmodules bei einem nur einschichtigen Aufbau ergeben würde.
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Somit wird ein besonders geringes Förderverhalten und daher eine besonders hohe Druckqualität durch die Vermeidung von Relativgeschwindigkeiten zwischen der Walze und dem Element, auf das das Druckbild bzw. die Tonerschicht übertragen wird, erreicht.
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Unter dem Verhältnis des Elastizitätsmoduls der ersten Schicht zum Elastizitätsmodul der zweiten Schicht wird der Quotient aus dem Elastizitätsmodul der ersten elastischen Schicht geteilt und dem Elastizitätsmodul der zweiten elastischen Schicht verstanden. Entsprechend wird unter dem im Folgenden wiederholt vorkommenden Verhältnis der Dicke der ersten elastischen Schicht zur Dicke der zweiten elastischen Schicht, der Quotient aus der Dicke der ersten elastischen Schicht und der Dicke der zweiten elastischen Schicht verstanden.
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Der Grundkörper der Walze ist insbesondere aus einem starren, nicht elastischen Material, beispielsweise Metall, ausgebildet. Der Grundkörper ist insbesondere zylindrisch geformt. Die erste Schicht ist insbesondere über die gesamte Umlauffläche des Grundkörpers auf diesen aufgebracht und insbesondere nahtlos ausgebildet. Entsprechend ist die zweite elastische Schicht insbesondere über die gesamte Umfangsfläche der ersten elastischen Schicht auf diese aufgebracht und insbesondere ebenfalls nahtlos ausgebildet. Alternativ können die Schichten auch jeweils eine Naht aufweisen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Verhältnis der Dicke der ersten elastischen Schicht zur Dicke der zweiten elastischen Schicht zwischen 1,0 und 5,0.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das Verhältnis der Dicke der ersten elastischen Schicht zur Dicke der zweiten elastischen Schicht zwischen 1,0 und 1,5 und das Verhältnis des Elastizitätsmoduls der ersten elastischen Schicht zum Elastizitätsmodul der zweiten elastischen Schicht zwischen 0,15 und 0,3.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das Verhältnis der Dicke der ersten elastischen Schicht zur Dicke der zweiten elastischen Schicht zwischen 1,5 und 2,5 und das Verhältnis des Elastizitätsmoduls der ersten elastischen Schicht zum Elastizitätsmodul der zweiten elastischen Schicht zwischen 0,25 und 0,4.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis der Dicke der ersten elastischen Schicht zur Dicke der zweiten elastischen Schicht zwischen 2,3 und 5,0 und das Verhältnis des Elastizitätsmoduls der ersten elastischen Schicht zum Elastizitätsmodul der zweiten elastischen Schicht zwischen 0,35 und 0,45.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verhältnis der Dicke der ersten elastischen Schicht zur Dicke der zweiten elastischen Schicht größer als 2,5 und das Verhältnis des Elastizitätsmoduls der ersten elastischen Schicht zum Elastizitätsmodul der zweiten elastischen Schicht größer als 0,35.
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FEM-Berechnungen und Versuche haben gezeigt, dass für die zuvor genannten Dickenverhältnisse bei den entsprechend zugehörigen Verhältnissen der Elastizitätsmodule sich ein besonders niedriges Förderverhalten ergibt, so dass ein besonders hochwertiger Umdruck bei der Verwendung solcher Walzen erfolgt.
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Die Summe der Dicke der ersten elastischen Schicht und der zweiten elastischen Schicht liegt insbesondere bei 9 mm und 11 mm, vorzugsweise zwischen 10 mm und 10,5 mm. Durch diese Dicke der elastischen Schicht wird ein geringes Förderverhalten bei einer dennoch guten Verformbarkeit zum Ausgleich von mechanischen Toleranzen erreicht.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die erste elastische Schicht eine Dicke zwischen 8 und 9 mm und ein Elastizitätsmodul zwischen 2,5 und 3,0 MPa auf. Die zweite elastische Schicht hat insbesondere eine Dicke zwischen 1,5 mm und 2,5 mm sowie ein Elastizitätsmodul zwischen 7 MPa und 8 MPa. Bei der Verwendung der entsprechenden Dicken und Elastizitätsmoduli der elastischen Schichten wird ein besonders geringes Förderungsverhalten erreicht. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die erste elastische Schicht eine Dicke von 8,5 mm bei einem Elastizitätsmodul von 2,7 MPa und die zweite Schicht eine Dicke von 2 mm bei einem Elastizitätsmodul von 7,5 MPa.
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Als Werkstoffe für die Schichten können beispielsweise Silikon, Polyurethan, Ethylen-Propylen-Terpolymer oder Nitrilkautschuk verwendet werden. Diese Materialien haben den Vorteil, dass sie die zuvor genannten elastischen Eigenschaften aufweisen und einfach aufeinander aufgebracht werden können.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die erste und die zweite elastische Schicht einstückig ausgebildet sein. In diesem Fall ist quasi nur eine elastische Schicht vorgesehen, deren Elastizitätsmodul nicht über ihre gesamte Dicke konstant ist sondern in einem ersten Teilbereich, der der zuvor genannten ersten Schicht entspricht, ein erstes Elastizitätsmodul und in einem zweiten Teilbereich, der der zweiten elastischen Schicht entspricht, ein von dem ersten Elastizitätsmodul verschiedenes zweites Elastizitätsmodul aufweist. In diesem Fall ist der erste Teilbereich auf dem Grundkörper und der zweite Teilbereich auf dem ersten Teilbereich angeordnet.
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Bei einer alternativen Ausführungsform können auch drei elastische Schichten oder mehr als drei elastische Schichten aufeinander aufgebracht und auf ein minimales Förderverhalten abgestimmt sein.
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Die zuvor beschriebene Walze wird insbesondere in Druckern oder Kopierern zum Umdrucken auf eine andere Walze oder eine über eine andere Walze geführte Bedruckstoffbahn verwendet. Die jeweils andere Walze ist insbesondere starr ausgebildet, d.h. dass sie keine elastische Oberfläche aufweist. Insbesondere ist diese andere Walze aus Metall gefertigt.
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Die Walze hat insbesondere einen Gesamtdurchmesser zwischen 170 und 190 mm, vorzugsweise einen Gesamtdurchmesser von 180 mm. Der Grundkörper der Walze hat somit insbesondere einen Durchmesser zwischen 160 und 180 mm, insbesondere von ungefähr 170 mm.
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Der Durchmesser der harten Walze, gegen die die erfindungsgemäß beschichtete Walze drückt, ist insbesondere etwa halb so groß wie der Durchmesser der beschichteten Walze. Bezogen auf zuvor genanntes Beispiel der Abmessungen der beschichteten Walze hat die harte Walze insbesondere einen Durchmesser zwischen 80 und 100 mm, vorzugsweise von 90 mm.
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Alternativ kann sowohl die beschichtete als auch die harte Walze einen kleineren oder größeren Durchmesser haben. Insbesondere können die zuvor genannten Durchmesser um einen vorbestimmten Faktor skaliert werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die die Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung zweier Umdruckwalzen in einem Drucker oder Kopierer gemäß des Standes der Technik;
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2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der Walzen nach 1;
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3 eine schematische Darstellung der Verformung einer Walze mit einer elastischen Beschichtung des Standes der Technik;
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4 ein Diagramm des Förderverhaltens einer Walze gemäß des Standes der Technik nach 1;
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5 eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Walze und einer Gegenwalze;
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6 eine schematische Darstellung der Verformung der elastischen Schichten der erfindungsgemäßen Walze nach 5; und
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7 ein Diagramm der optimalen Verhältnisse zwischen dem Verhältnis der Dicken der elastischen Schicht und dem Verhältnis der Elastizitätsmoduli der elastischen Schichten.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts zweier Walzen 10, 12 dargestellt, wie diese im Stand der Technik zur Übertragung eines Druckbildes oder einer Tonerschicht in Druckern oder Kopierern verwendet werden. Die Walze 12 weist hierbei einen harten, nicht wesentlich elastischen Grundkörper 14 auf, auf dem eine elastische Schicht 16 aufgebracht ist. Die Gegenwalze 10 dagegen weist keine elastische Schicht auf und hat eine harte, unelastische Oberfläche. Insbesondere ist die Oberfläche der Gegenwalze 10 aus Metall ausgebildet.
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Beim Übertragen des Druckbildes bzw. der Tonerschicht wird die Gegenwalze 10 mit einer vorbestimmten Kraft gegen die Walze 12 gedrückt. Die elastische Schicht 16 wird in einem Kontaktbereich 18 verformt, wobei zum einen eine radiale Verformung auftritt, durch die Toleranzen ausgeglichen werden und eine breite Kontaktzone zur Übertragung des Druckbildes erreicht wird, und zum anderen tangentiale Verformungen auftreten. Diese tangentialen Verformungen bewirken, dass sich an den Randbereichen 20, 22 des Kontaktbereiches 18 die elastische Schicht nach oben wölbt.
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Durch die tangentiale Komponente der Verformung kommt es zu einer Relativgeschwindigkeit der Oberfläche der elastischen Schicht 16 zur Oberfläche der Gegenwalze 10, durch die die Qualität des Druckbildes bzw. der Tonerschicht beeinträchtigt wird. Diese Relativbewegung wird als Förderverhalten bezeichnet und ist in 2, die einen vergrößerten Ausschnitt aus 1 darstellt, über die Pfeile innerhalb der elastischen Schicht 16 angedeutet, von denen einer beispielhaft mit dem Bezugszeichen P1 bezeichnet ist.
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In 3 ist eine schematische Darstellung einer mittels FEM-Berechnung ermittelten Verformung und der auftretenden Kräfte bei dem Kontakt zwischen der Gegenwalze 10 und der elastischen Schicht 16 der anderen Walze 12 dargestellt. Der Kontaktbereich 18 ist hierbei über die gepunktete Ellipse gekennzeichnet. Hierbei kann 3 entnommen werden, dass die Pfeile insbesondere im Randbereich des Kontaktbereiches nach außen abgewandt sind, wodurch das Förderverhalten entsteht.
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In 4 ist ein Diagramm gezeigt, welches die bei der Walze 12 gemäß 1 und 2 auftretenden Verformungen bei unterschiedlichen Andruckkräften zwischen den Walzen 10, 12 aufzeigt. Die Verformung und somit das Förderverhalten ist umso größer, je größer die Andruckkraft ist. Darüber hinaus nimmt die Verformung zunächst mit zunehmendem Abstand von der Mittellinie der Kontaktfläche zu, bevor sie dann wieder abnimmt. Somit ist das Förderverhalten über die Kontaktfläche ungleichmäßig, was es unmöglich macht, dieses Förderverhalten regelungstechnisch auszugleichen.
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In 5 ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Walze 100 und einer Gegenwalze 10 gezeigt. Die Walze 100 weist einen Grundkörper 102 auf, der nicht elastisch, also hart, ausgebildet ist. Dieser Grundkörper 102 ist insbesondere aus Metall gefertigt und zylindrisch ausgebildet. Auch in dem Grundkörper 102 ist eine erste elastische Schicht 104 aufgebracht, auf der wiederum eine zweite elastische Schicht 106 aufgebracht ist. Die beiden elastischen Schichten 104, 106 weisen unterschiedliche Elastizitätsmoduli auf.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann auch nur eine elastische Schicht ausgebildet sein, wobei diese dann derart ausgebildet ist, dass in einem der ersten elastischen Schicht 104 entsprechenden Teilbereich diese ein erstes Elastizitätsmodul und in einem an diesen ersten Teilbereich angrenzenden, der zweiten elastischen Schicht 106 entsprechenden, zweiten Teilbereich ein zweites Elastizitätsmodul aufweist.
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In 6 ist ein Verformungsbild dargestellt, das mittels FEM-Berechnungen ermittelt wurde und zeigt, wie sich die elastischen Schichten 104, 106 der Walze 100 über den Kontakt zu der Gegenwalze 10 verformen. Hierbei ist wiederum der Kontaktbereich 18 über die punktierte Ellipse angedeutet. Vergleicht man die wirkenden Kräfte und die sich hieraus ergebenden Verformungen der elastische Schicht 106 der Walze 100 mit denen der elastischen Schicht 16 der Walze 10 nach 3, so zeigt sich, dass in dem Kontaktbereich die Pfeile, die die Kräfte und somit die Verformungen angeben, nahezu senkrecht nach unten, also in die elastische Schicht 106 hinein, gerichtet sind und kaum eine tangentiale Komponente aufweisen, die zu einem Förderverhalten führt. Die Pfeile in 3 dagegen weisen eine nach außen gerichtete tangentiale Komponente auf, die für das Förderverhalten verantwortlich ist.
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Somit wird durch den zweischichtigen Aufbau der elastischen Schicht der Walze 100 erreicht, dass das Förderverhalten minimiert wird und somit die Qualität der Übertragung des Druckbildes bzw. der Tonerschicht verbessert wird.
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In 7 ist ein Diagramm dargestellt, bei dem das Verhältnis des Elastizitätmoduls der ersten Schicht 104 zum Elastizitätsmodul der zweiten Schicht 106 über dem Verhältnis der Dicke der ersten elastischen Schicht zur Dicke der zweiten elastischen Schicht aufgetragen ist, wobei jeweils dasjenige Verhältnis der beiden Verhältnisse gezeigt ist, bei dem sich ein minimales Förderverhalten ergibt.
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So ergibt sich beispielsweise bei einem Verhältnis der Dicken von 1,5 das minimale Förderverhalten bei einem Verhältnis der Elastizitätsmoduli von ungefähr 0,28. Ab einem Verhältnis der Dicken von >2,3 ergibt sich das minimale Förderverhalten insbesondere bei einem Verhältnis der Elastizitätsmoduli von ungefähr 0,37.
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Die Ermittlung der in 7 gezeigten optimalen Verhältnisse für ein minimales Förderverhalten erfolgte insbesondere mittels FEM-Berechnungen, wobei für die Walze 100 ein Gesamtdurchmesser, also inklusive Beschichtung, von 180 mm und für die Gegenwalze 10 ein Durchmesser von 90 mm verwendet wurde. Die Gegenwalze 10 wurde hierbei als ideal hart angesehen, ebenso der Grundkörper 12 der Walze 100. Die Dicke der beiden Schichten 104, 106 betrug zusammen 10 mm, das Elastizitätsmodul der zweiten Schicht 106 5,5 MPa.
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Die Bewertung erfolgte hierbei jeweils bei drei Anpresskräften 685 N/m, 1027 N/m und 1370 N/m, wobei die Auswertung jeweils in einem 2D-Schnitt erfolgte. Für jede dieser Anpresskräfte wurde eine 2D-FEM-Berechnung des Querschnitts durch die beiden Walzen durchgeführt. Für eine Vielzahl von Punkten entlang der Berührungslinie wurde die laterale Verschiebung zwischen dem jeweiligen Punkt auf der Walze 100 und dem jeweiligen gegenüberliegenden Punkt der Gegenwalze 10 bestimmt. Bei einem relativgeschwindigkeitsfreien Abrollen der Berührlinien ergäbe sich so eine Verschiebung von Null.
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Die tatsächliche Kurve, die sich als Folge dieser Verschiebungswerte ergibt, wird durch eine Gerade mittels Abstandsquadraten angenähert. Die Steigung dieser so gewonnenen Gerade ist ein Maß für die mittlere Oberflächengeschwindigkeitsdifferenz, also das Förderverhalten. Durch die entsprechende Auswertung ergeben sich die in 7 gezeigten idealen Verhältnisse.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die erste elastische Schicht 104 eine Dicke von 8,5 mm und ein Elastizitätsmodul von 2,7 MPa. Die zweite elastische Schicht 106 hat insbesondere eine Dicke von 2 mm bei einem Elastizitätsmodul von 7,5 MPa. In diesem Fall beträgt das Verhältnis der Dicke der ersten elastischen Schicht 104 zur Dicke der zweiten elastischen Schicht 106 4,25 und das Verhältnis des Elastizitätsmoduls der ersten elastischen Schicht 104 zum Elastizitätsmodul der zweiten elastischen Schicht 106 von 0,36, welches einem der idealen Verhältnisse entspricht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gegenwalze
- 12
- Walze
- 14
- Grundkörper
- 16
- elastische Schicht
- 18
- Kontaktbereich
- 20, 22
- an den Kontaktbereich angrenzender Randbereich
- 100
- Walze
- 102
- Grundkörper
- 104
- erste elastische Schicht
- 106
- zweite elastische Schicht
- P1
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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