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Die Erfindung betrifft ein Verfahren Herstellung eines Walzenbezugs gemäß Anspruch 1, einen Walzenbezug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 sowie eine Walze für eine Maschine zur Herstellung oder Verarbeitung einer Faserstoffbahn gemäß Anspruch 13.
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Walzen für industrielle Anwendungen, insbesondere für die Papier- und Zellstoffindustrie weisen in der Regel einen Walzenkern auf, auf dem ein Walzenbezug angeordnet ist.
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Der Walzenkern ist meist zylindrisch und aus Metall gefertigt. Der Walzenbezug kann aus einer oder mehreren Lagen aufgebaut sein. Über den Aufbau des Walzenbezugs werden weitgehend die Eigenschaften der Walze festgelegt.
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In den letzten Jahren kam für einige Anwendungen wie z.B. Presswalzen oder Walzen in Glättwerken, Präge- und Beschichtungsvorrichtungen der Bedarf nach sehr harten Walzen auf.
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In der Europäischen Patentschrift
EP 2 812 485 B1 werden beispielsweise Walen mit einem Elastizitätsmodul von mehr als 500 MPa bis hin zu 1500 MPa beschrieben. Zum Erzielen der gewünschten Härteeigenschaften sind laut der
EP 2 812 484 B1 eine Vielzahl von geeigneten Polymeren, speziell Polyurethane bekannt.
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Bei der Herstellung eines derartigen Bezuges sieht sich der Fachmann mit besonderen technischen Hindernissen konfrontiert. Besonders schwierig bei der Fertigung von sehr harten auf einem Metallkörper wie einem Walzenkern angeordneten Kunststoffwalzenbezügen ist es, die Eigenspannungen zu kontrollieren, die sich aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verbundenen Materialien und des Volumenschrumpfes während der Aushärtungsreaktion aufbauen.
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Zur Vermeidung dieser Probleme verwendet die
EP 2 812 484 B1 speziell angepasste Harz-Härter Kombinationen, wodurch ein zweistufiger Aushärtungsprozess erzwungen wird, bei dem sich entstehende Spannungen ausgleichen können.
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Nachteilig an dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist jedoch, dass der Fachmann bei der Wahl der Polymermaterialien auf die angepassten Harz-Härter Kombinationen eingeschränkt ist.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Alternative zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren anzugeben.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine freiere Materialwahl bei der Herstellung von harten Walzen bzw. Bezügen zu ermöglichen.
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Diese Aufgaben werden vollständig gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Walzenbezugs gemäß Anspruch 1, einen Walzenbezug gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 7, sowie eine Walze gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 13.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Im Rahmen dieser Anmeldung wird der Begriff Faserstoffbahn verwendet. Dieser Begriff umfasst insbesondere Zellstoffbahnen, Papierbahnen und Kartonbahnen, ebenso aber auch textile Faserstoffbahnen wie Vliesstoffe („Nonwovens“).
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Auch wenn die Idee für Anwendungen in Maschinen zur Herstellung oder Verarbeitung einer Faserstoffbahn erläutert wird, können die beschriebenen Walzen und Bezüge auch in anderen Industrien wie beispielsweise der Textilindustrie vorteilhaft eingesetzt werden.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Walzenbezugs für eine Walze, insbesondere eine Walze einer Maschine zur Herstellung oder Verarbeitung einer Faserstoffbahn. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte:
- a. Bereitstellen eines im wesentlichen zylindrischen Grundkörpers
- b. Aufbringen einer kompressiblen Lage aus einem Schaum oder Abstandstextil auf den Grundkörper
- c. Optional Aufbringen einer Zwischenschicht auf die kompressible Lage
- d. Aufbringen der Verschleißschicht auf die kompressible Lage oder sofern vorhanden auf die Zwischenschicht
- e. Erhärten der Verschleißschicht
- f. Optional Auffüllen der kompressiblen Lage mit Matrixmaterial und
- g. Aushärten dieses Matrixmaterials unter Ausbildung der Kompensationsschicht,
wobei Schritt g.) nach Schritt e.) ausgeführt wird
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Die Bezeichnung des Grundkörpers als „im wesentlichen“ zylindrisch, soll dabei zum einen bedeuten, dass der größte Teil des zu beschichtenden Bereichs des Grundkörpers zylindrisch ist. Zum anderen sollen damit auch solche Grundkörper umfasst werden, bei denen die zylindrische Form durch vereinzelte Nuten, Bohrungen, kegelförmige Abschrägungen etc. bzw. das Aufbringen von Elementen wie z.B. Sensoren unterbrochen ist.
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Der Walzenbezug wird wie üblich von innen nach außen gefertigt. Zur Lösung des Problems der Eigenspannungen durch beim Erhärten der Verschleißschicht wird zumindest eine der radial darunter liegenden Lagen als Kompensationsschicht ausgeführt. Diese wird im Herstellungsprozess zuerst in Form eines Schaums oder eines geeigneten Abstandstextils vorgesehen. Diese kompressible Lage hat die Eigenschaft, sich durch die während des Erhärtens der darüber liegenden Verschleißschicht auftretenden Kräfte zu deformieren bzw. zu komprimieren. Die entstehenden Spannungen sowohl in radialer als auch in axialer Richtung werden dadurch kompensiert.
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In vorteilhaften Ausführungen kann vorgesehen sein, dass der Schaum bzw. das Abstandstextil bevorzugt ein Porenvolumen bzw, ein offenes Volumen von mindestens 25%, insbesondere von mindestens 33% zur Aufnahme des Matrixmaterials aufweist. Bisweilen können sogar Porenvolumen von 50% oder mehr vorgesehen sein, um größere Mengen von Matrixmaterial aufnehmen zu können.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass auf die kompressible Lage vor dem Aufbringen Verschleißschicht noch eine Zwischenschicht aufgebracht wird. In dem Fall erfolgt das Aufbringen der Verschleißschicht auf die Zwischenschicht. Die Zwischenschicht kann je nach Anwendung und verwendeten Materialien sehr dünn - kleiner 1mm Dicke oder auch in einer Stärke von bis zu 10 mm ausgeführt werden. Sie ist üblicherweise einlagig, kann aber auch mehrlagig ausgeführt sein.
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Die noch bestehenden Hohlräume der kompressiblen Lage können in dem optionalen Schritt e.) nach dem Erhärten der Verschleißschicht mit einem Matrixmaterial aufgefüllt und dieses dann ausgehärtet werden, wodurch sich eine feste Kompensationsschicht ausbildet.
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Dabei kann die kompressible Lage beispielsweise über eine stirnseitige Kante mit Matrixmaterial aufgefüllt werden.
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Um ein sicheres und schnelles Auffüllen der kompressiblen Lage über eine stirnseitige Kante zu ermöglichen, kann an die gegenüberliegende stirnseitige Kante ein Unterdruck angelegt werden.
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In alternativen Ausführungen kann aber auch vorgesehen sein, dass die Hohlräume der kompressiblen Lage zumindest teilweise bereits beim Aufbringen auf den Grundkörper mit dem flüssigen Matrixmaterial aufgefüllt werden. Dies hat den Vorteil, dass das Matrixmaterial leichter in die Hohlräume eingebracht werden kann. Zudem kann es sogar möglich sein, dass der optionale Schritt e.) ganz entfällt. Nachteilig ist allerdings, dass beim Erhärten der Verschleißschicht, und der daraus entstehenden Komprimierung der kompressiblen Lage, flüssiges Matrixmaterial an den Stirnseiten austreten kann, wodurch Verschmutzungen möglich sind. Zudem muss sichergestellt werden, dass das Matrixmaterial zuverlässig erst nach dem Erhärten der Verschleißschicht erhärtet bzw. aushärtet. Hierzu können beispielsweise UV-härtende Materialien verwendet werden.
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Die nach dem Aushärten des Matrixmaterials entstandene Kompensationslage ist nicht mehr kompressibel. Daher kann der Walzenbezug mechanisch und dynamisch belastet werden.
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Im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung kann hier das Material der Verschleißschicht optimal auf den späteren Verwendungszweck angepasst werden. Eine Rücksichtnahme hinsichtlich eines bestimmten Erhärtungsprozesses bzw. Aushärtungsprozesses ist nicht notwendig.
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Das Matrixmaterial zum Auffüllen der kompressiblen Lage kann beispielsweise ein Harz-Härter-Gemisch umfassen oder daraus bestehen.
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Das Aushärten des Matrixmaterial kann unter anderem thermisch, durch Bestrahlung -beispielsweise im ultravioletten Bereich-, durch geeignete Katalysatoren oder eine Kombination dieser Maßnahmen erfolgt.
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Bei Verwendung von Strahlung zum Aushärten könne geeignete Leiterbahnen beispielsweise Lichtwellenleiter in die kompressible Schicht oder in die angrenzenden Grenzschichten eingebracht werden, um eine gleichmäßige Aushärtung über die gesamte Fläche zu gewährleisten.
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Bei der Herstellung der Verschleißschicht wird das Polymermaterial in flüssiger oder zumindest weicher Form auf die Unterlage - hier z.B. die kompressible Lage oder die Zwischenschicht aufgebracht. In einem ersten Schritt erhärtet das Material, wird also fest. Üblicherweise kommt es in einem weiteren Schritt zu einer Aushärtung („Tempern“), wodurch die Verschleißschicht ihre finale Härte erhält.
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Für das Verfahren ist es wichtig, dass während des Erhärtens der Verschleißschicht die Kräfte von der kompressiblen Lage aufgenommen werden können. Ein vollständiges Aushärten der Verschleißschicht (Tempern) ist prinzipiell auch noch nach dem Ausfüllen der kompressiblen Schicht beispielsweise gleichzeitig mit dem Aushärten des Matrixmaterials der Kompensationsschicht möglich.
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Bei dem Grundkörper kann es sich insbesondere um einen metallischen Walzenkern handeln. Alternativ als Grundkörper aber auf dem Walzenkern verwendet werden, auf den bereits eine oder mehrere weitere Schichten aufgebracht sind- z.B. Haftvermittlerschichten oder andere.
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Das Aufbringen der das Aufbringen der Verschleißschicht in Schritt c.) kann dabei auf mit allen gängigen Auftragsverfahren erfolgen, beispielsweise im Rotationsguß-, im Wickelverfahren oder Sprühverfahren.
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Die kompressible Lage kann entweder einstückig ausgeführt sein. Es können aber auch mehrere Elemente aus Schaum bzw. Abstandstextil vorgesehen sein, die nebeneinander oder übereinander angeordnet werden können.
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So kann die kompressible Lage beispielsweise aus zwei Schäumen gebildet sein, die übereinander angeordnet sind.
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In vorteilhaften Ausführungen kann vorgesehen sein, dass die kompressible Lage als offenporiger Schaum, insbesondere als PU-Weichschaum ausgeführt ist, wobei die Porengröße insbesondere zwischen 0,2mm und 3mm, bevorzugt zwischen 0,5mm und 1mm beträgt.
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PU- Weichschäume (auch PU Weichschaumstoffe genannt), bei denen in der letzten Phase des Schäumvorgangs die Zellwände aufplatzen, bestehen überwiegend aus elastischen Zellstegen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von offenporigen bzw. offenzelligen Schäumen. Sie sind leicht und reversibel verformbar und wegen ihrer Offenzelligkeit sind sie gut luftdurchlässig.
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Der offenporige, d.h. offenzellige Schaum, insbesondere der PU-Weichschaum kann in vorteilhaften Ausführungen ein Raumgewicht von 20 kg/m3 bis 130 kg/m3, bevorzugt von 85 kg/m3 bis 100 kg/m3 aufweisen.
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Alternativ kann die kompressible Lage ein Abstandstextil umfassen. Abstandstextilien, auch Abstandsgeweben oder 3D-Textilien genannt, sind auf dem Markt für viele Anwendungen erhältlich, beispielsweise von der Firma BVS* Gewebetechnik (https-//www.bvs-gewebetechnik.de/de/abstandsgewebe-3d-327.html). Als wichtige Eigenschaften der Abstandsgewebe sind zu nennen: mögliche Feuchtleitfunktion, gute Druckentlastung, Thermoregulation, Atmungsaktivität, gute Luftdurchlässigkeit sowie weitere, über den spezifischen Materialeinsatz steuerbare, Sonderfunktionen. Hierzu zählen bioaktive Wirkung, die Flammenhemmung, der Warnschutz nach EN471 und auch ein definiertes elastisches Verhalten in Längs- und Querrichtung. Gerade wegen dieses elastischen Verhaltens können Abstandstextilien in einem Verfahren oder Walzenbezug gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sehr vorteilhaft sein.
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Je nach Anwendung kann die Kompensationsschicht eine Dicke zwischen 3mm und 20mm, insbesondere zwischen 5mm und 15mm aufweisen. Da es beim Erhärten der außen liegenden Verschleißschicht durch den Schrumpf zu einer Komprimierung des Schaumes oder des Abstandstextils kommt, können die verwendeten Schäume oder Textilien beim Aufbringen auf den Grundkörper eine größere Dicke aufweisen, als die spätere Kompensationsschicht im fertigen Walzenbezug.
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Auch wenn das vorgeschlagene Verfahren prinzipiell für beliebige Verschleißschichten anwendbar ist, so ist es besonders vorteilhaft, wenn die Verschleißschicht an der Walzenoberfläche ein E-Modul von mehr als 300 MPa, insbesondere mehr als 500 MPa, bevorzugt über 600MPa insbesondere zwischen 1000 MPa bis 5000 MPa aufweist. Durch das Vorsehen der kompressiblen Lagen bzw. der daraus gebildeten Kompensationsschicht werden die beim Erhärten dieser harten Verschleißschicht auftretenden Kräfte kompensiert. Eine Beschädigung, beispielsweise durch Spannungsrisse wird dadurch zuverlässig vermieden.
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Als Material für die Verschleißschicht ist eine Vielzahl von geeigneten Polymeren bekannt. Speziell Polyurethane sind hier vorteilhaft. Solche Polyurethane sind auch für Verschleißschichten mit den oben erwähnten hohen E-Modulen verfügbar. Alternativ können auch Epoxidharze zum Einsatz kommen.
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Hinsichtlich des Walzenbezugs wird die Aufgabe gelöst durch einen Walzenbezug für eine Walze, insbesondere für eine Walze einer Maschine zur Herstellung oder Verarbeitung einer Faserstoffbahn, wobei die Walzenbezug eine radial außen liegende Verschleißschicht, welche die Walzenoberfläche bereitstellt, sowie eine radial tiefer liegende Kompensationsschicht aufweist. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompensationsschicht aus einer kompressiblen Lage in Form eines Schaum oder Abstandstextils aufgebaut ist, welches in eine Polymermatrix eingebettet ist.
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Ein derartiger Walzenbezug hat den Vorteil, dass er ganz oder weitgehend frei von inneren Spannungen ist, die durch das Aufbringen der Verschleißlage üblicherweise entstehen.
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Die Verschleißschicht an der Walzenoberfläche kann dabei insbesondere ein E-Modul von mehr als 300 MPa, insbesondere mehr als 500 MPa, bevorzugt über 600MPa, über 1000 MPa bis 5000 MPa aufweisen.
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Die kompressible Lage kann beispielsweise als offenporiger Schaum, insbesondere als PU-Weichschaum ausgeführt sein, wobei die Porengröße insbesondere zwischen 0,2mm und 3mm, bevorzugt zwischen 0,5mm und 1mm beträgt.
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Die Kompensationsschicht weist in vorteilhaften Ausführungen eine Dicke zwischen 3mm und 20mm, insbesondere zwischen 5mm und 15mm aufweist.
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Zusätzlich zu der Verschleißschicht und der Kompensationsschicht kann der Walzenbezug noch eine oder mehrere weitere Schichten aufweisen. Insbesondere können radial unterhalb der Kompensationsschicht noch weitere Schichten vorgesehen sein.
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Die einer oder mehrere weitere Schichten können je nach Anwendung und verwendeten Materialien mehrlagig in einer Stärke von bis zu 10 mm, einlagig auch sehr dünn - zum Beispiel als Haftmittelauftrag von wenigen µm Dicke ausgeführt werden oder auch komplett entfallen.
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Hinsichtlich der Walze wird die Aufgabe gelöst durch eine Walze für eine Maschine zur Herstellung oder Verarbeitung einer Faserstoffbahn, umfassend einen metallischen Walzenkern sowie einen auf diesem Kern aufgebrachten Walzenbezug, wobei der Walzenbezug gemäß einem Aspekt der Erfindung ausgeführt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2812485 B1 [0005]
- EP 2812484 B1 [0005, 0007]