DE102020128123A1 - Process for producing a flat substrate - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Herstellen eines flächigen Substrats (4), insbesondere einer Folie aus ein- oder mehreren Lagen, mittels zumindest einer Walze (1,2), über welche eine Dicke des flächigen Substrats (4) über seine Breite bestimmt wird, soll
- die Walze (1) von einer über die Breite der Walze (1) angeordneten Temperiereinrichtung (9) von außen her mit Wärme und/oder Kälte beaufschlagt,
- eine Bombierung der Walze (1) mittels über die Breite der Walze (1) verteilt angeordnete Sensoren (11) ermittelt werden und
- bei Änderung einer Dicke des Substrats (4) die Temperiereinrichtung (9) zum Zwecke der Änderung der Bombierung der Walze (1) die Walze (1) von außen her kontrolliert mit Wärme und/oder Kälte beaufschlagt, bis die Bombierung die gewünschte Dicke des Substrats (4) erzeugt.
In a method for producing a flat substrate (4), in particular a film made of one or more layers, by means of at least one roller (1, 2), via which a thickness of the flat substrate (4) is determined over its width
- the roller (1) is subjected to heat and/or cold from the outside by a temperature control device (9) arranged across the width of the roller (1),
- a crowning of the roller (1) is determined by means of sensors (11) distributed over the width of the roller (1), and
- when changing the thickness of the substrate (4), the temperature control device (9) for the purpose of changing the crowning of the roller (1) applies heat and/or cold to the roller (1) from the outside in a controlled manner until the crowning has reached the desired thickness of the Substrate (4) generated.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines flächigen Substrats, insbesondere einer Folie aus ein- oder mehreren Lagen, mittels zumindest einer Walze, über welche eine Dicke des flächigen Substrats bestimmt wird, sowie eine Vorrichtung hierfür.The invention relates to a method for producing a flat substrate, in particular a film made of one or more layers, by means of at least one roller, via which a thickness of the flat substrate is determined, and a device for this.
Stand der TechnikState of the art
Flächige Substrate werden in vielen Fällen in sogenannten Kalandern hergestellt. Ein Kalander ist ein System aus mehreren aufeinander angeordneten, beheizten und polierten Walzen, durch deren Walzenspalte eine Schmelze oder andere Materialien hindurchgeführt werden. Sie dienen vor allem zur Herstellung von Folien aus Kunststoff, Gummi, Metall und Papier. Dabei findet natürlich nicht nur eine Formänderung statt, sondern auch eine Verdichtung bzw. Strukturverschiebung. Insofern hängt eine Güte des Kalandrierens eines flächigen Substrats im wesentlichen von der Ausgestaltung des Walzenspaltes und dessen Spaltkräfte ab, und diese wiederum auch von einer Biegelinie oder Bombierung der Walzen, die sich zunehmend während der Herstellung infolge der Temperaturänderung von Substrat, Walze und Umgebung ebenfalls ändern kann. Gewünscht ist aber die weitgehende Beibehaltung der gleichen Dicke des Substrats über die Länge und die Breite der Bahn hin.In many cases, flat substrates are produced in so-called calenders. A calender is a system of several heated and polished rolls arranged one on top of the other, through the nips of which a melt or other material is fed. They are mainly used for the production of foils made of plastic, rubber, metal and paper. Of course, not only does a change in shape take place, but also a compression or structural shift. In this respect, the quality of the calendering of a flat substrate essentially depends on the design of the roller gap and its nip forces, and this in turn also on a bending line or crowning of the rollers, which also change increasingly during production as a result of the temperature change of the substrate, roller and environment can. What is desired, however, is to largely maintain the same thickness of the substrate over the length and width of the web.
In der
Zur allgemeineren Verwendung beschreibt die
Die
Die
Aufgabetask
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine sehr genaue und gleichbleibende Herstellung eines flächigen Substrats sowohl über eine vorgegebene Länge als auch eine vorgegebene Breite erfolgt.The object of the present invention is to specify a method and a device with which a planar substrate can be manufactured very precisely and consistently over both a specified length and a specified width.
Lösung der Aufgabesolution of the task
Zur Lösung der Aufgabe führt, dass
- - die Walze von einer über die Breite der Walze angeordneten Temperiereinrichtung von außen her mit Wärme und/oder Kälte beaufschlagt wird;
- - eine Bombierung der Walze mittels über die Breite der Walze verteilt angeordnete Sensoren ermittelt wird;
- - bei Änderung einer Dicke des Substrats die Temperiereinrichtung zum Zwecke der Änderung der Bombierung der Walze die Walze von außen her kontrolliert mit Wärme und/oder Kälte beaufschlagt, bis die Bombierung die gewünschte Dicke des Substrats erzeugt.
- - the roller is subjected to heat and/or cold from the outside by a temperature control device arranged across the width of the roller;
- - a crowning of the roll is determined by means of sensors distributed over the width of the roll;
- - When changing a thickness of the substrate, the temperature control device for the purpose of changing the crowning of the roller, the roller is subjected to heat and/or cold from the outside in a controlled manner until the crowning produces the desired thickness of the substrate.
Das Substrat, welches durch das erfindungsgemässe Verfahren hergestellt wird, soll im Rahmen der Erfindung beliebig sein. Im Augenblick werden dadurch Folien für Elektroden von Batterien hergestellt. Dies macht deutlich, dass es sich nicht nur um ein einschichtiges, sondern vor allem auch um ein mehrschichtiges Substrat handeln kann.The substrate, which is produced by the method according to the invention, should be arbitrary within the scope of the invention. At the moment, foils for electrodes of batteries are produced in this way. This makes it clear that it can be a matter not only of a single-layer substrate, but above all of a multi-layer substrate.
Auch was die Temperiereinrichtung anbelangt, soll die vorliegende Erfindung nicht beschränkt sein. Grundsätzlich sind Heizelemente notwendig, welche die Walze mit Wärme beaufschlagen, so dass es zu einer Ausdehnung der Walze in bestimmten Bereichen kommt. Da die Walze in der Regel aus einem Metall bzw. aus Metalllegierungen besteht, ist bekannt, dass diese sich bei Wärme ausdehnen. Umgedreht ist es natürlich möglich, dass eine Walze im Laufe des Betriebs relativ warm wird und dadurch eine zu hohe Ausdehnung erfährt, die durch Kühlung in bestimmten Bereichen wieder zurückgesetzt werden kann. Als wärmende Temperierelemente ist vor allem an Infrarot-Heizstrahler gedacht, kühlende Elemente könnten Düsen sein, über die die Walzenoberfläche mit Kaltluft beaufschlagt wird. Dies sind aber nur Beispiele, die Erfindung ist darauf nicht beschränkt.The present invention should also not be restricted as far as the temperature control device is concerned. In principle, heating elements are required, which apply heat to the roller, so that the roller expands in certain areas. Since the roller is usually made of metal or metal alloys, it is known that they expand when heated. Conversely, it is of course possible for a roller to become relatively warm during operation and thus experience excessive expansion, which can be reset by cooling in certain areas. Infrared radiant heaters are primarily thought of as warming temperature control elements, cooling elements could be nozzles through which cold air is applied to the roller surface. However, these are only examples; the invention is not limited to them.
Verwendete Sensoren sind im Augenblick insbesondere kapazitive Sensoren, die als Abstandssensoren dienen und auf einer Änderung der Kapazität eines Kondensators beruhen. Vor allem sind aber auch optoelektronische Sensoren oder induktive Abstandssensoren denkbar. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind aber auch dies nur Beispiele.Sensors used at the moment are in particular capacitive sensors, which serve as distance sensors and are based on a change in the capacitance of a capacitor. Above all, however, optoelectronic sensors or inductive distance sensors are also conceivable. In the context of the present invention, however, these are only examples.
Zur Bestimmung der Breite und Dicke des flächigen Substrats werden üblicherweise zwei Walzen verwendet, die miteinander einen Walzenspalt ausbilden. Im Rahmen der Erfindung soll aber auch die Verwendung von nur einer Walze liegen. In diesem Fall wird das flächige Substrat mit Spannung über einen Teil eines Walzenumfangs gezogen, so dass sich die Länge des flächigen Substrats erhöht, die Dicke aber vermindert. Dies dürfte aber nur für spezielle Substrate anwendbar sein, weshalb sich die vorliegende Beschreibung des Verfahrens vor allem auf das Zusammenwirken von zwei oder auch mehr Walzen bezieht, die einen Kalander ausbilden.To determine the width and thickness of the flat substrate, two rollers are usually used, which together form a roller nip. However, the use of only one roller should also be within the scope of the invention. In this case, the substrate sheet is stretched with tension over part of a roller circumference, so that the length of the substrate sheet increases but the thickness decreases. However, this should only be applicable for special substrates, which is why the present description of the method relates primarily to the interaction of two or more rolls that form a calender.
Für einen derartigen Kalander ist dem Fachmann bekannt, dass zum Herstellen von beispielsweise Folien im Walzenspalt bestimmte Spaltkräfte wirken. Diese können über eine Hydraulik, mit der die beidseitigen Lager der Walzen ausgestattet sind, bestimmt werden. Meist gibt es eine obere und eine untere Walze, wobei eine der Walzen fix gelagert ist und die andere Walze sich über die eben erwähnte Hydraulik gegen die fixe Walze abstützt. Diese Abstützkräfte bestimmen dann die Spaltkräfte im Walzenspalt, mit denen die eine Walze auf das durch den Walzenspalt hindurchtretende flächige Substrat aufdrückt. Diese Kräfte bestimmen im wesentlichen die Dicke des flächigen Substrats, während die Bombierung der Walzen eine Änderung der Dicke des flächigen Substrats über die Breite bestimmt.For such a calender it is known to the person skilled in the art that certain nip forces act in the nip for the production of foils, for example. These can be determined via hydraulics, with which the bearings on both sides of the rollers are equipped. There is usually an upper and a lower roller, with one of the rollers being fixed and the other roller supported against the fixed roller by the hydraulics just mentioned. These supporting forces then determine the nip forces in the roller nip, with which one roller presses onto the flat substrate passing through the roller nip. These forces essentially determine the thickness of the flat substrate, while the crowning of the rollers determines a change in the thickness of the flat substrate across the width.
Dem Fachmann allgemein bekannt sind die Spaltkräfte und die Biegelinie (Bombierung) der Walze für eine bestimmte Dicke eines bestimmten Substrats bei kalten Walzen. Bei den meisten flächigen Substraten wird aber während dem Kalandrieren Wärme auf die Walzen übertragen, die zu einer Ausdehnung der Walze und damit zu einer Änderung der Bombierung der Walze führt. Hierdurch wird die Dicke des flächigen Substrats verändert, und das auch unregelmässig über die Breite des Substrates hin. Gemäss der vorliegenden Erfindung wird diese Änderung der Bombierung der Walze mittels über die Breite der Walze verteilt angeordnete Sensoren ermittelt. Damit nun eine gleichbleibende Dicke des flächigen Substrats über die Breite hin angestrebt wird, erfolgt eine Beaufschlagung mit Wärme und/oder Kälte von aussen her der Walze über die Temperiereinrichtung, bis die Sensoren wieder melden, dass die gewünschte Bombierung wieder erreicht ist. Zu einer zusätzlichen Kontrolle kann stromabwärts dem flächigen Substrat noch eine weitere balkenartige Messeinrichtung zugeordnet werden, welche die Dicke des Substrats über die Breite hin überprüft.The nip forces and the deflection line (crowning) of the roll for a specific thickness of a specific substrate with cold rolls are well known to those skilled in the art. With most flat substrates, however, heat is transferred to the rolls during calendering, which leads to an expansion of the roll and thus to a change in the camber of the roll. As a result, the thickness of the flat substrate is changed, and also irregularly across the width of the substrate. According to the present invention, this change in the crowning of the roll is determined by means of sensors distributed across the width of the roll. In order to aim for a constant thickness of the flat substrate across the width, heat and/or cold is applied to the roller from the outside via the temperature control device until the sensors report again that the desired crowning has been achieved again. For an additional check, another bar-like measuring device can be assigned downstream of the flat substrate, which checks the thickness of the substrate across the width.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden aus den laufenden Ergebnissen und Änderungen bezüglich bestimmter flächiger Substrate Kennlinien erstellt, welche die Arbeit der Sensoren und der Temperiereinrichtung kontrollieren und unterstützen. Dies geschieht immer mit dem Ziel der Erreichung einer über die Breite gleichmässigen vorgegebenen Dicke des flächigen Substrats.According to the present invention, characteristic curves are created from the current results and changes with regard to certain flat substrates, which control and support the work of the sensors and the temperature control device. This is always done with the aim of achieving a predetermined thickness of the flat substrate that is uniform across the width.
Eine entsprechende erfindungsgemässe Vorrichtung, für die auch separat Schutz begehrt wird, ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass der Walze über die Breite der Walze verteilt angeordnet Heiz- und/oder Kühlelemente zugeordnet sind, mit denen die Walze von aussen her temperierbar ist.A corresponding device according to the invention, for which protection is also sought separately, is primarily characterized in that the roller is assigned heating and/or cooling elements distributed over the width of the roller, with which the roller can be temperature-controlled from the outside.
Ein grosser Vorteil der Temperierung von aussen her ist, dass nur der äussere Bereich der Walze mit Wärme oder Kälte beaufschlagt werden muss, wobei die Bombierung gerade durch diesen äusseren Bereich wesentlich beeinflusst wird. Diese Temperierung kann auch sehr gezielt und schnell erfolgen, weshalb die Temperiereinrichtung aus einer Mehrzahl von Heiz- und/oder Kühlelementen besteht.A great advantage of temperature control from the outside is that only the outer area of the roller has to be subjected to heat or cold, with the crowning being significantly influenced by this outer area. This temperature control can also take place very specifically and quickly, which is why the temperature control device consists of a plurality of heating and/or cooling elements.
Des weiteren ist natürlich ein großer Vorteil, dass die Walze selbst innen, unabhängig von der Außentemperierten, temperiert werden kann. Somit kann die Walze unabhängig auf entsprechende Prozesserfordernisse in ihrer Temperatur eingestellt werden.Furthermore, it is of course a great advantage that the roller itself can be temperature-controlled on the inside, independently of the outside temperature. In this way, the temperature of the roll can be adjusted independently to the corresponding process requirements.
Für die Anordnung dieser Heiz- und/oder Kühlelementen ist eine Vielzahl von Möglichkeiten denkbar, die von der Erfindung umfasst sein sollen. In erster Linie ist an eine balkenartige Anordnung in Reihe über die Breite der Walze hinweg gedacht. Dabei können sich Heizelemente und Kühlelemente abwechseln, so dass mittels der Kühlelemente auch Bereiche der Walze überdeckt werden können, die üblicherweise erwärmt werden. Ausserdem werden dadurch zwei benachbarte Heizelemente voneinander entkoppelt, so dass sich ihr Wärmeeintrag in die Walzenoberfläche nicht addiert. Es können aber z.B. auch jeweils drei benachbarte Heizelemente durch ein Kühlelement getrennt werden. Hierdurch wird es möglich, dass beispielsweise ein Heizregister aus drei Heizelementen höhere Wärme in die Walzenoberfläche einträgt, als ein durch das Kühlelement benachbartes Heizregister ebenfalls aus drei Heizelementen, bei dem aber nur ein Heizelement Wärme aussendet. Auf diese Art und Weise kann eine sehr genau Regelung des Wärme- und/oder Kühleintrags in die Walzenoberfläche erfolgen und damit auch eine sehr exakte Bestimmung der Bombierung der Walze.A large number of possibilities are conceivable for the arrangement of these heating and/or cooling elements, which should be covered by the invention. A beam-like arrangement in a row across the width of the roll is primarily intended. In this case, heating elements and cooling elements can alternate, so that areas of the roller which are usually heated can also be covered by means of the cooling elements. In addition, two adjacent heating elements are thereby decoupled from one another, so that their heat input into the roller surface does not add up. However, it is also possible, for example, to separate three adjacent heating elements by a cooling element. This makes it possible, for example, for a heating register made up of three heating elements to introduce more heat into the roller surface than a heating register adjacent to the cooling element, also made up of three heating elements, but in which only one heating element emits heat. In this way, the heat and/or cooling input into the roll surface can be regulated very precisely, and thus also the crowning of the roll can be determined very precisely.
Natürlich ist es auch denkbar, dass mehrere Temperiereinrichtungen um den Umfang der Walze herum angeordnet sind. Denkbar ist auch ein Versatz der Temperierelemente bzw. der einzelnen Heiz- und/oder Kühlelemente.Of course it is also conceivable that several temperature control devices are arranged around the circumference of the roller. An offset of the temperature control elements or the individual heating and/or cooling elements is also conceivable.
Die Sensoren zur Ermittlung der Bombierung der Walze werden bevorzugt natürlich zwischen den einzelnen Temperierelementen an geeigneter Position, bevorzugt aber auf einer Linie über die Breite der Walze hinweg angeordnet.The sensors for determining the crowning of the roll are of course preferably arranged at a suitable position between the individual temperature control elements, but are preferably arranged in a line across the width of the roll.
Eine besondere Ausgestaltung der Walze könnte die Bombierung noch erleichtern. Diese sieht vor, dass die Walze nicht aus Vollmaterial gebildet ist, sondern einen Walzenmantel von einem Dickenkern trennt, wobei zusätzlich noch zwischen Walzenmantel und Dickenkern eine Isolierschicht eingelegt sein kann. Hierdurch wird es möglich, eine Bombierung schneller zu erzeugen bzw. zu korrigieren, da der Walzenmantel schneller auf einen Wärmeeintrag reagiert. Vor allem eine Reduktion der Bombierung durch Kühlung erfolgt beschleunigt.A special configuration of the roll could make crowning even easier. This provides that the roller is not formed from solid material, but rather separates a roller shell from a thick core, with an additional insulating layer being able to be inserted between the roller shell and thick core. This makes it possible to produce or correct a crown more quickly, since the roll shell reacts more quickly to heat input. Above all, a reduction in crowning by cooling is accelerated.
Ein weiterer Vorteil ist dann gegeben, wenn die Oberfläche der Walze reflektionsarm ausgestaltet wird, d.h., dass sie Wärme schneller aufnimmt, da sie aufgebrachte Wärme nicht oder nur wenig reflektiert. Beispielsweise könnte die Oberfläche der Walze schwarz verchromt sein.Another advantage is when the surface of the roller is designed to be low-reflection, i.e. it absorbs heat more quickly because it does not reflect the heat applied, or only slightly. For example, the surface of the roller could be black chrome.
Figurenlistecharacter list
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
-
1 eine schematisch dargestellte Seitenansicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Herstellen eines flächigen Substrats; -
2 eine schematisch dargestellte Draufsicht des oberen Teils der Vorrichtung gemäss1 ; -
3 eine perspektivische Ansicht des Teils der Vorrichtung gemäss2 ; -
4 eine schematisch dargestellte Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Herstellen eines flächigen Substrats; -
5 eine Frontansicht eines oberen Teils der Vorrichtung gemäss4 .
-
1 a schematically illustrated side view of a device according to the invention for producing a flat substrate; -
2 a schematically illustrated plan view of the upper part of the device according to1 ; -
3 a perspective view of the part of the device according to2 ; -
4 a schematically illustrated side view of a further exemplary embodiment of a device according to the invention for producing a flat substrate; -
5 a front view of an upper part of the device according to FIG4 .
Von einer erfindungsgemässen Vorrichtung P zum Herstellen eines flächigen Substrats ist in
Zentrisch durchziehen Walzenachsen A die Walzen 1 bzw. 2, wobei die Walzen 1 bzw. 2 um diese Walzenachsen A drehen. Gelagert sind die Walzen 1 bzw. 2 über Wellenstummel 5.Roller axes A run through the
Für die obere Walze 1 ist in
Des weiteren ist oberhalb der Walze 1 eine Temperiereinrichtung 9 vorgesehen, die entsprechend dem Walzenmantel 7 gekrümmt ausgebildet ist. In
In
Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende:
- In vielen Fällen ist es notwendig, dass bei der Herstellung eines flächigen Substrats die Dicke des Substrats sehr genau eingehalten werden muss. Dabei ist aber zu berücksichtigen, dass sich die Temperaturen in der Vorrichtung und
- insbesondere die
Temperatur der Walzen 1 und 2 sowie auch des Substrats 4 verändern. Dies führt über die Zeit gesehen auch zu einer Änderung der Dicke des flächigen Substrats, wobei sich die Dicke auch über die Breite des Substrats unterschiedlich verändern kann. Dies soll erfindungsgemäss durch entsprechende Änderung der Bombierung von einerWalze 1 odervon beiden Walzen 1 und 2 ausgeglichen werden.
- In many cases it is necessary that the thickness of the substrate must be maintained very precisely when producing a flat substrate. However, it should be noted that the temperatures in the device and
- in particular, the temperature of the
1 and 2 as well as the substrate 4 change. Viewed over time, this also leads to a change in the thickness of the planar substrate, with the thickness also being able to change differently over the width of the substrate. According to the invention, this is to be compensated for by a corresponding change in the crowning of onerollers roll 1 or of both 1 and 2 .rolls
Das bedeutet, dass die Ersteinstellung des Walzenspaltes 3 auf eine gewünschte Dicke des Substrats anhand von Fachkenntnis bzw. Kennlinien erfolgt. Wird eine Änderung der Dicke des Substrats festgestellt, so wird über eine entsprechende Regelung die Temperiereinrichtung angesprochen. Den einzelnen Temperierelementen, welche aus Heiz- und/oder Kühlelementen 10 bestehen, wird nun der Befehl gegeben, die Oberfläche der Walze 1 bzw. 2 entsprechend zu beheizen bzw. zu kühlen, so dass sich die Bombierung der Walze ändert. Diese Änderung wird laufend durch die Sensoren 11 ermittelt und deren Wert mit den erzielten Änderungen der Dicke des flächigen Substrats, die separat in einer nachgeschalteten Kontrolleinrichtung über die Breite des Substrats ermittelt wird, verglichen. Bevorzugt ist dabei die Regelung als künstliche Intelligenz ausgestaltet, welche aus den ermittelten Parametern und Änderungen Kennlinien erzeugt, die laufend angepasst werden.This means that the initial adjustment of the
In den
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