DE102022126294A1

DE102022126294A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Körper

Info

Publication number: DE102022126294A1
Application number: DE102022126294.4A
Authority: DE
Inventors: Christoph Gschossmann; Oliver Fechner
Original assignee: Maschinenfabrik Kaspar Walter GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Kaspar Walter GmbH and Co KG
Priority date: 2022-10-11
Filing date: 2022-10-11
Publication date: 2024-04-11
Also published as: WO2024078764A1

Abstract

Es wird eine Härtungsvorrichtung (20) angegeben, zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat (1), mit einer UV-Lichteinrichtung (21) zum Erzeugen von UV-Licht und Bereitstellen des UV-Lichts an einer Lichtöffnung (21a); mit einem vor der Lichtöffnung (21a) angeordneten Härtungsspalt (27); mit einer Inertgaszuführeinrichtung (22) zum Zuführen von Inertgas zu dem Härtungsspalt (27) stromauf von der Lichtöffnung (21a); mit einem Inertgasstrom durch den Härtungsspalt (27); und mit einer Sauerstoffmesseinrichtung (37) zum Messen des Sauerstoffgehalts in dem Inertgas stromab von der Lichtöffnung (21a).

Description

Die Erfindung betrifft eine Härtungsvorrichtung zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat.
Ein derartiges Substrat kann z.B. eine Druckform sein, die mit einem polymeren Beschichtungsmaterial beschichtet werden kann. Der Begriff Substrat bzw. Druckform soll nachfolgend insbesondere als Oberbegriff für Tiefdruckformen, Hochdruckformen oder Strukturformen zum Prägen, aber auch für Beschichtungswalzen oder Einfärbewalzen verwendet werden.
Aus der WO 2021/052641 A1 ist eine Druckform und ein polymeres Beschichtungsmaterial dafür bekannt. Bei dem Beschichtungsmaterial handelt es sich um ein polymeres Nanokomposit, das als Einzelschicht für Druckformen aufgebaut werden kann. Das polymere Nanokomposit wird in fließfähiger Form auf die zylindrische Außenseite der Druckform aufgetragen und nachfolgend durch Bestrahlung mit UV-Licht ausgehärtet. Die dadurch entstandene Polymerschicht kann z.B. mithilfe von Infrarotlasern strukturiert werden, um eine Oberflächenstruktur zu erzeugen, die z.B. Näpfchen oder Strukturen zur Farbaufnahme oder zur Prägung aufweist, wie dies auch in der WO 2021/052641 A1 beschrieben ist.
Das Auftragen und Aushärten eines noch fließfähigen Polymers, wie z.B. des oben genannten Nanokomposits ist aufwändig. Die Aushärtung soll insbesondere mit UV-Licht erfolgen. Um eine effiziente und emissionsarme, d.h. ozonfreie, Aushärtung zu realisieren, werden dabei zunehmend UV-LEDs eingesetzt, die aufgrund der vorherrschenden Sauerstoffinhibierung der Oberfläche der radikalischen Polymerisation auf eine Inertisierung der Oberfläche angewiesen sind.
Da die Polymerbeschichtung auf Substraten mit unterschiedlichen Abmessungen, insbesondere unterschiedlichen Längen und Durchmessern, erfolgen soll, sollte eine UV-Strahlungshärtung format- und umfangsunabhängig bereitgestellt werden, mit einem gleichzeitig minimalen Inertgasverbrauch.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Härtungswerkzeug anzugeben, das flexibel für unterschiedliche Umfänge und Formatbreiten von zylinderförmigen Substraten zum Einsatz kommen kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Härtungsvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wird eine Härtungsvorrichtung angegeben, zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat, mit einer UV-Lichteinrichtung zum Erzeugen von UV-Licht und Bereitstellen des UV-Lichts an einer Lichtöffnung; mit einem vor der Lichtöffnung angeordneten Härtungsspalt; mit einer Inertgaszuführeinrichtung zum Zuführen von Inertgas zu dem Härtungsspalt stromauf von der Lichtöffnung; mit einem Inertgasstrom durch den Härtungsspalt; und mit einer Sauerstoffmesseinrichtung zum Messen des Sauerstoffgehalts in dem Inertgas stromab von der Lichtöffnung.
Bei den beschichteten Substraten kann es sich um Walzen aller Art handeln, wie insbesondere Druckformen, wie Tiefdruckformen oder -zylinder, Strukturformen oder -zylinder, Prägeformen oder -zylinder sowie Hochdruckformen oder -zylinder oder Beschichtungswalzen sowie Einfärbewalzen, z.B. für den Flexodruck.
Das Polymermaterial wurde vor dem Härtungsprozess in geeigneter Weise auf die Außenfläche des Substrats aufgetragen und ist aber in diesem Zustand, also vor der Härtung, noch fließfähig.
Bei dem polymeren Beschichtungsmaterial kann es sich z.B. um das in der WO 2021/052641 A1 beschriebene Material handeln. Insbesondere kann es sich bei dem Polymer als Beschichtungsmaterial zum Beschichten einer Druckform handeln, aufweisend ein flüssiges Ausgangsmaterial, das durch UV-Licht polymerisierbar ist, um eine Polymermatrix zu bilden, einen Füllstoff, der eine sub-mikroskalige Größe aufweist, wobei das Beschichtungsmaterial zusätzlich zu dem sub-mikroskaligen Füllstoff einen weiteren Füllstoff enthält, wobei der sub-mikroskalige Füllstoff in Partikelform vorliegt und dessen Größe in einem Bereich zwischen 100 nm und 999 nm liegt, wobei der weitere Füllstoff ein nanoskaliger Füllstoff ist, derart, dass der weitere Füllstoff Füllstoffpartikel mit einer nanoskaligen Größe in einem Bereich zwischen 1 nm und 99 nm aufweist, wobei der sub-mikroskalige Füllstoff aus wenigstens einem Metalloxid und/oder einem Halbmetalloxid besteht, ausgewählt aus metalloxidbeschichtetem Glimmer, TiO₂ oder (Sn, Sb)O₂, wobei es sich bei dem nanoskaligen Füllstoff um Metall- und/oder Halbmetalloxide handelt, ausgewählt aus Al₂O₃, SiO₂, TiO₉, ZrO₉ oder metallorganischen Partikeln, wobei der sub-mikroskalige Füllstoff kovalent in eine Polymermatrix des Ausgangsmaterials einbindbar ist, wobei der nanoskalige Füllstoff zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit enthalten ist, der kovalent in die Polymermatrix des Ausgangsmaterials einbindbar ist, und wobei durch den sub-mikroskaligen Füllstoff in dem Ausgangsmaterial eine Absorption von IR-Strahlung bewirkbar ist, die höher ist als eine Absorption ohne Füllstoff.
Die UV-Lichteinrichtung erzeugt UV-Licht, das an der Lichtöffnung austreten und von dort direkt auf die zu härtende Polymerschicht auf dem Substrat gelangen kann. Zu diesem Zweck ist der Härtungsspalt vor der Lichtöffnung angeordnet und bildet einen schmalen Inertisierungs- und Bestrahlungskanal. Die Bildung des Härtungsspalts bzw. des Kanals kann mit Hilfe einer genauen Positionierung der Härtungsvorrichtung relativ zu der Polymeroberfläche (und damit der Substratoberfläche) sichergestellt werden, wie später noch erläutert wird.
Der Härtungsspalt ist zu der zu härtenden Polymerschicht wenigstens teilweise offen. Insbesondere ist der Härtungsspalt an seiner zu dem Substrat gerichteten Seite wenigstens teilweise offen. Der Härtungsspalt kann einen Gaseinlass zum Einlassen des Inertgases und einen Gasaustritt zum Abführen des Inertgases aufweisen. In dem Härtungsspalt selbst ist die Lichtöffnung gegenüber von der Polymerschicht angeordnet, um eine Aushärtung der Polymerschicht durch Bestrahlen mit UV-Licht zu ermöglichen.
Die Sauerstoffmesseinrichtung dient zum Messen des Sauerstoffgehalts in dem von der Lichtöffnung abgeführten Inertgas. Dabei wird insbesondere der Restsauerstoffgehalt in dem Inertgas gemessen. Um die gewünschte Schutzwirkung des Inertgases auf der Polymerschicht zu erreichen, muss das Inertgas eine bestimmte Konzentration aufweisen, die indirekt durch Messen des Restsauerstoffgehalts in dem Inertgasstrom erfasst werden kann. Zu diesem Zweck kann die Sauerstoffmesseinrichtung eine Lambdasonde (λ-Sonde) aufweisen. Anhand der Messergebnisse der Restsauerstoffmessung kann am stromauf liegenden Ende über die Inertgaszuführeinrichtung die jeweils notwendige Menge an Inertgas eingestellt und zugeführt werden. Dies gewährleistet eine stets ausreichende Inertgasversorgung im Härtungsspalt während der UV-Bestrahlung. Andererseits kann auch verhindert werden, dass zu viel Inertgas verbraucht wird, so dass der Härtungsprozess wirtschaftlich und ressourcenschonend realisiert werden kann.
Als Inertgas eignet sich vor allem Stickstoff, der eine ausreichende Inertisierungswirkung ermöglicht.
Die Härtungsvorrichtung erlaubt eine Härtung einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat, unabhängig von Form oder Format des Substrats.
Die Lichtöffnung an der UV-Lichteinrichtung kann mit einem UV-lichtdurchlässigen Quarzglas bedeckt sein. Diese Quarzglasabdeckung vor der UV-Lichteinrichtung bewirkt eine Abdichtung der Gasströmung in dem Härtungsspalt, so dass Inertgas nicht in den restlichen Arbeitsraum ausweichen kann.
Bei der UV-Lichteinrichtung kann es sich insbesondere um eine LED-basierte Lichteinrichtung handeln, bei der UV-Licht mit Hilfe von LEDs erzeugt wird.
Es kann eine Positionierungseinrichtung vorgesehen sein, zum Positionieren der UV-Lichteinrichtung. Positionieren bedeutet in diesem Fall das Halten und/oder Bewegen der Härtungsvorrichtung bzw. der UV-Lichteinrichtung relativ zu der zu härtenden Polymerschicht bzw. dem Substrat. Der dabei gewünschte Härtungsspalt sollte möglichst präzise eingehalten werden, um die Versorgung mit Inertgas zuverlässig sicherstellen zu können.
Zu diesem Zweck kann eine Abstandsmessung vorgesehen sein, die z.B. ein induktives, kapazitives oder lasergestütztes Messprinzip nutzt. Der Abstand kann dabei variabel geregelt oder auch mechanisch präzise eingestellt sein. Dies hängt von den jeweiligen Gegebenheiten bei der Positionierung der Härtungsvorrichtung relativ zu dem Substrat ab.
Die Positionierungseinrichtung kann eine Abstandsregeleinrichtung aufweisen, wobei die Abstandsregeleinrichtung eine Abstandsmesseinrichtung zum Messen des Abstands zwischen der UV-Lichteinrichtung und einer Oberfläche der Polymerschicht und/oder einer Oberfläche des Substrats aufweist. Die Abstandsregeleinrichtung kann eine Abstandsstelleinrichtung aufweisen, zum Einstellen des Abstands der UV-Lichteinrichtung zu der Oberfläche der Polymerschicht und/oder der Oberfläche des Substrats, derart, dass der Abstand einem vorgegebenen Wert entspricht.
Es kann eine Gasfördereinrichtung vorgesehen sein, zum Erzeugen des Inertgasstroms durch den Härtungsspalt. Die Gasfördereinrichtung kann insbesondere stromab von dem Härtungsspalt angeordnet sein, wobei die Gasfördereinrichtung auch stromab von der Sauerstoffmesseinrichtung angeordnet sein kann. Der Inertgasstrom kann durch die Wirkung der Gasfördereinrichtung ausgehend von der Inertgaszuführeinrichtung durch den Härtungsspalt und die Sauerstoffmesseinrichtung geführt werden. Die Gasfördereinrichtung kann insbesondere einen Ventilator aufweisen, mit dem man eine entsprechende Strömungswirkung durch Ansaugen der Luft und des Inertgases erzeugen kann.
Die Inertgaszuführeinrichtung kann ausgebildet sein, um Inertgas von einer Inertgasquelle zu einem Gaseintritt des Härtungsspalts zu führen, wobei die Inertgaszuführeinrichtung eine Einspüldüse aufweisen kann, zum Einbringen des Inertgases in den Härtungsspalt, und wobei die Inertgaszuführeinrichtung stromauf von dem Gaseintritt eine Beruhigungsstrecke aufweisen kann, zum Mindern von turbulenten Strömungen in dem zugeführten Inertgas. Bei der Inertgasquelle kann es sich z.B. um einen Tank oder eine Gasflasche handeln.
Das Inertgas soll möglichst über die gesamte Breite des Härtungsspalts eingebracht werden, um einen gleichförmigen, idealerweise laminaren Inertgasstrom durch den Härtungsspalt zu erreichen. Dies ist mit Hilfe der Einspüldüse möglich, die das Inertgas entsprechend breit auffächert. Zudem kann als Teil der Inertgaszuführeinrichtung bzw. der Einspüldüse unmittelbar vor dem Gaseintritt des Inertgases in den Härtungsspalt eine Beruhigungsstrecke vorgesehen sein, mit der die Strömung beruhigt und weitgehend laminar wird. Die Einspüldüse kann als eine Art Schlitzdüse verwirklicht werden.
Die Inertgaszuführeinrichtung kann einen Massenflussregler aufweisen, zum Regeln des Zuflusses von Inertgas von der Inertgasquelle. Über den Massenflussregler lässt sich die Menge an Inertgas präzise einstellen, die pro Zeiteinheit dem Härtungsspalt zugeführt wird.
Stromab von dem Härtungsspalt kann ein Gasaustritt vorgesehen sein, über den Inertgas aus dem Härtungsspalt austritt, wobei stromab von dem Gasaustritt eine Gasabführeinrichtung vorgesehen sein kann, wobei die Gasabführeinrichtung eine Messkammerzuführung aufweisen kann, die an dem Gasaustritt angeordnet ist und über die aus dem Härtungsspalt austretendes Inertgas zu einer Messkammer führbar ist, und wobei die Sauerstoffmesseinrichtung ausgebildet ist, um den Sauerstoffgehalt in der Messeinrichtung zu messen.
Dabei definiert der Gasaustritt das Ende des Härtungsspalts. Unmittelbar danach kann ein Teil des Inertgases von der Gasabführeinrichtung erfasst und abgeleitet werden. Der nicht erfasste Rest des Inertgases entweicht in die Umgebung. Der von der Gasabführeinrichtung erfasste und abgeleitete Teil des Inertgases wird in die Messkammer geführt, wo die Sauerstoffmesseinrichtung den (Rest-)Sauerstoffgehalt im Inertgas messen kann. Damit lässt sich die oben beschriebene Regelung der Inertgaszuführung verwirklichen, um stets eine ausreichende Menge an Inertgas in den Härtungsspalt zu führen, damit die Oberfläche des Polymers mit einem Gas beströmt wird, das nur einen entsprechend geringen Sauerstoffanteil aufweist, um Oxidationsprozesse bei der UV-Härtung des Polymers zu unterbinden.
Es kann eine Restsauerstoffregeleinrichtung vorgesehen sein, die die Sauerstoffmesseinrichtung aufweist und ausgebildet ist, um den durch die Sauerstoffmesseinrichtung gemessenen Sauerstoffgehalt in einem vorgegebenen Bereich zu halten. Auf diese Weise wird indirekt auch der Inertgasgehalt in dem Gasstrom bestimmt.
In der Praxis hat sich herausgestellt, dass ein Restsauerstoffgehalt von 0,1% bis 10%, insbesondere 0,5% bis 5%, abhängig vom Härtungsverhalten der Polymermischung, eingestellt werden sollte.
Die Restsauerstoffregeleinrichtung kann mit dem Massenflussregler gekoppelt sein, um die Zuführung von Inertgas zu regeln.
Die Gasfördereinrichtung (z.B. der Ventilator) kann am stromabseitigen Ende der Gasabführeinrichtung vorgesehen sein.
Der Härtungsspalt, der Gaseinlass und der Gasaustritt können wenigstens teilweise durch eine berührungslose Dichtung zur Umgebung hin abgedichtet sein. Die berührungslose Dichtung kann z.B. ein oder mehrere geschichtete Blech- oder Kunststoffelemente aufweisen. Z.B. kann die berührungslose Dichtung auch durch ein Schälrakel verwirklicht werden. Dabei erzeugen das Schälrakel bzw. die zugehörigen Blech- oder Kunststoffelemente eine turbulente Strömung, um einen Austritt von Inertgas zu verhindern. Dies ermöglicht eine annähernd laminare Inertgasströmung zwischen dem Gaseintritt und dem Gasaustritt. Die turbulente Strömung im Bereich der berührungslosen Dichtung stellt ein Strömungshindernis dar, so dass dort nur eine verminderte Menge an Inertgas zur Umgebung hin austreten kann.
Es wird ein Härtungssystem zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat angegeben, mit einer Härtungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche; mit einer Substrataufnahme zum Tragen des zylindrischen Substrats; mit einer Translationseinrichtung zum Bewegen der Härtungsvorrichtung in einer Translationsrichtung; mit einer Rotationseinrichtung zum Bewegen des von der Substrataufnahme getragenen Substrats in einer Rotationsrichtung; und mit einer Bewegungssteuerung, die ausgebildet ist, um die Bewegung durch die Translationseinrichtung mit der Bewegung der Rotationseinrichtung derart zu koordinieren, dass die Härtungsvorrichtung relativ zu dem Substrat eine Spiralbewegung vollzieht.
Auf diese Weise kann die Härtungsvorrichtung zum Aushärten des Polymers relativ zu dem sich drehenden Substrat bewegt werden. Die Translationsrichtung kann dabei insbesondere die Längsrichtung des Substrats, also z.B. deren Mittelachse sein, während das Substrat selbst um seine Hauptachse bzw. Mittelachse gedreht wird. Durch die überlagerte Bewegung mit der Rotation des Substrats und der Translation der Härtungsvorrichtung kann die gewünschte relative Spiralbewegung erreicht werden. Damit kann das Polymer auf der Oberfläche des Substrats gleichmäßig ausgehärtet werden. Insbesondere kann das Polymer aufgrund der sich einstellenden spiralförmigen Bahn der UV-Bestrahlung lückenlos und effektiv gehärtet werden.
Es wird ein Verfahren zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat angegeben, mit den Schritten:

- Erzeugen von UV-Licht und Bereitstellen des UV-Lichts an einer Lichtöffnung;
- Zuführen von Inertgas zu einem vor der Lichtöffnung angeordneten Härtungsspalt stromauf von der Lichtöffnung;
- Erzeugen eines Inertgasstroms durch den Härtungsspalt; und
- Messen des Sauerstoffgehalts in dem Inertgas stromab von der Lichtöffnung.

Diese und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Beispielen unter Zuhilfenahme der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Beschichtungssystem zum Auftragen einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat;
2 eine Beschichtungsvorrichtung als Teil des Beschichtungssystems von 1, zum Beschichten eines zylindrischen Substrats mit einem Polymer;
3 eine geschnittene Seitenansicht zu der Vorrichtung von 2;
4 eine Ausschnittsvergrößerung „C“ aus 2;
5 ein Härtungssystem zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat;
6 eine Härtungsvorrichtung als Teil des Härtungssystems von 5;
7 eine Ausschnittsvergrößerung zu der Härtungsvorrichtung von 6; und
8 eine geschnittene seitliche Teilansicht zu der Härtungsvorrichtung von 6.

1 zeigt in Perspektivansicht ein Beschichtungssystem als Teil eines Schichterzeugungssystems zum Erzeugen einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat 1.
Bei dem Substrat 1 handelt es sich im gezeigten Beispiel um eine Druckform, nämlich um einen Tiefdruckzylinder zum Einsatz für den Tiefdruck. Der Tiefdruckzylinder soll mit einem fließfähigen Polymer beschichtet werden. Dabei kann es sich z.B. um den aus der WO 2021/052641 A1 bekannten Nanokomposit handeln. Die Polymerbeschichtung des Tiefdruckzylinders ist geeignet, dass durch Laserbehandlung, insbesondere mit einem Nahfeld-Infrarot-Laser (NIR) kleine Vertiefungen, sogenannte Näpfchen, erzeugt werden, die die Druckfarbe aufnehmen und auf das zu bedruckende Objekt übertragen können. Zu diesem Zweck muss die Polymerschicht eine nur relativ geringe Dicke (Schichtstärke) von z.B. 10 µm bis 500 µm, insbesondere 10 µm bis 250 µm aufweisen.
Das Substrat 1 bzw. der Tiefdruckzylinder ist in einer nicht gezeigten Aufnahme in einer Rotationsrichtung R drehbar gehalten.
An der Außenseite des Substrats 1 ist eine Beschichtungsvorrichtung 2 vorgesehen, die in eine Translationsrichtung X entlang der Außenseite des Substrats 1 bewegt werden kann. Die Beschichtungsvorrichtung 2 dient zum Auftragen des noch fließfähigen Polymermaterials auf die zylinderförmige Mantelfläche des Substrats 1.
Bei Überlagerung der Translationsbewegung der Beschichtungsvorrichtung 2 in Translationsrichtung X und der Rotation des Substrats 1 in Rotationsrichtung R vollzieht die Beschichtungsvorrichtung 2 relativ zu der Außenseite des Substrats 1 eine spiralförmige Bewegung, wie in 1 durch einen Pfeil S gezeigt. Dadurch kann mithilfe der Beschichtungsvorrichtung 2 fließfähiges Polymermaterial mit einer Breite von z.B. einigen Millimetern, z.B. 5 mm bis 30 mm auf die Außenseite des Substrats 1 aufgetragen werden. Durch die spiralförmige Relativbewegung kann eine Polymerlage neben der anderen spiral- bzw. schraubenförmig aufgebracht werden, so dass schließlich die gesamte Mantelfläche des Substrats oder ein Teil davon gleichförmig mit einer Polymerschicht bedeckt ist. Mit Hilfe von später noch erläuterten Glättungselementen kann ein dabei entstehender Spalt zwischen den nebeneinander liegenden Polymerlagen gleichförmig verschlossen werden, so dass eine gleichmäßige homogene Polymerschicht entsteht.
Für das Auftragen des Polymermaterials ist es erforderlich, dass die Beschichtungsvorrichtung 2 einen gleichförmigen, sehr engen Abstand zu der Substratoberfläche einhält. Zu diesem Zweck kann die Beschichtungsvorrichtung 2 durch eine nicht dargestellte Beschichtungs-Positionierungseinrichtung in Radialrichtung Z des Substrats 1 bewegt werden. Die Beschichtungs-Positionierungseinrichtung kann für diesen Zweck eine Abstandsregeleinrichtung mit einer Abstandsmesseinrichtung 3 aufweisen. Die Abstandsmesseinrichtung 3 kann je nach Ausführungsform induktiv, kapazitiv oder lasergestützt als Abstandssensor arbeiten und die Abstandsregelung unterstützen.
Die 2 bis 4 zeigen die Beschichtungsvorrichtung 2 im Detail, wobei 2 einen Hauptschnitt darstellt, 3 eine geschnittene Seitenansicht zu 2 und 4 eine Ausschnittsvergrößerung C von 2.
Die Beschichtungsvorrichtung 2 weist einen Trägerkörper 5 auf. In dem Trägerkörper 5 ist eine Zuführdüse 6 gehalten, der Beschichtungsmaterial 7 in Form von fließfähigem Polymermaterial zugeführt wird. Das Beschichtungsmaterial 7 kann durch eine kontinuierliche, pulsationsfreie und genaue Materialförderung, z.B. mit Hilfe von Spritzenpumpen oder Exzenterschneckenpumpen (Dispenser) zugeführt werden.
Die Zuführdüse 6 weist eine zylindrische Materialzuführung 8 auf, die sich konisch zu einer Austrittsöffnung 9 hin verjüngt. Die Austrittsöffnung 9 kann eine Tiefe T von z.B. 1 bis 3 mm und eine Breite B von 5 bis 30 mm aufweisen, wobei auch andere Abmessungen möglich sind.
Zudem kann sich die Zuführdüse 6 zur Austrittsöffnung 9 (Materialauslass) hin mit einem Verjüngungswinkel verjüngen. Ein Verjüngungswinkel α von z.B. 1° bis 7° stellt eine laminare Strömung und eine zunehmende Fluidgeschwindigkeit des Beschichtungsmaterials 7 kurz vor dem Austreten des Materials sicher.
Es hat sich herausgestellt, dass bei Abständen der Zuführdüse 6 bzw. insbesondere der Austrittsöffnung 9 der Zuführdüse 6 zum Substrat 1 im Bereich von 1xS bis 4xS, wobei S die gewünschte Schichtstärke auf dem Substrat 1 ist, ein ausreichend großer Meniskus bzw. eine ausreichend große Ferse am Düsenauslauf erzeugt wird, wodurch eine vollständige Benetzung über die gesamte Düsenbreite sichergestellt wird. Bei einem konstanten Abstand stellt sich somit auch eine konstante Schichtstärke ein.
In Drehrichtung gesehen stromab von der Zuführdüse 6 ist an dem Trägerkörper 5 ein Glättrakel 10 befestigt, um die Oberfläche des auf dem Substrat 1 aufgebrachten Polymermaterials zu glätten. Das Glättrakel 10 kann z.B. ein Kunststoffblatt sein. Die Kunststoffoberfläche des Glättrakels 10 ist gut geeignet, um die gewünschte Oberflächenqualität auf dem glattgestrichenen Polymer zu erreichen.
An der Rückseite des Glättrakels 10 ist ein Stützrakel 11 über die gesamte Rückenfläche des Glättrakels 10 angeordnet. Das Stützrakel 11 kann aus Federstahl bestehen. Das Stützrakel 11 stützt somit die Form des Glättrakels 10 und gewährleistet eine ausreichend große Andrückkraft des Glättrakels 10 auf das zu glättende bzw. zu verstreichende Polymer.
4 zeigt das Glättrakel 10 und das Stützrakel 11 in vergrößerter Darstellung.
An der Vorderseite des Glättrakels 10 ist ein ebenfalls aus Stahl bzw. Federstahl bestehendes Rückstellrakel 12 vorgesehen, das sich über eine Teilfläche des Glättrakels 10 erstreckt (4). Z.B. kann sich das Rückstellrakel 12 über die Hälfte oder ein Drittel der Fläche des Glättrakels 10 erstrecken.
Die Rakel 10, 11, 12 sind gemeinsam seitlich an einer Rakelbefestigung 13 an dem Trägerkörper 5 befestigt.
Rückseitig von dem Glättrakel 10 ist ein Druckkolben 14 vorgesehen, der durch einen Pneumatikzylinder 15 beaufschlagt und bewegt wird, der wiederum über eine Pneumatikzuführung 16 mit Druckluft angesteuert wird. Durch die Druckluft im Pneumatikzylinder 15 kann der Druckkolben 14 nach unten gegen das Stützrakel 11 und damit gegen das Glättrakel 10 gepresst werden und somit das Stützrakel 11 mit dem Glättrakel 10 gegen das Rückstellrakel 12 andrücken. Das Rückstellrakel 12 übt eine Gegenkraft gegen die Wirkung des Druckkolbens 14 aus, so dass sich ein Kräftegleichgewicht in Abhängigkeit von dem anliegenden Luftdruck einstellt. Damit lässt sich die Anpresskraft des Glättrakels 10 gegen das zu glättende Polymermaterial präzise einstellen.
Die Anpresskraft des Glättrakels 10 auf die aufgebrachte Polymerschicht kann mit Hilfe einer Regelung eingestellt werden. Eine zu große Anpresskraft führt zu einer großen Veränderung der Schichtverteilung, während eine zu geringe Anpresskraft ein Schließen des Übergangsspalts zwischen den einzelnen Spiralbeschichtungen verhindert. Es hat sich gezeigt, dass aufgrund von unterschiedlichen Viskositäten, Oberflächenspannungen und anderen Materialvariablen eine Bandbreite von Flächenpressungen des Glättrakels 10 auf das Polymermaterial realisierbar sein muss.
Die Breite des Glättrakels 10 kann das Zwei- bis Dreifache bzw. bis zum Fünffachen bzw. bis zum Zehnfachen der Breite einer Spiralschicht betragen, um eine große Auflagefläche und eine gleichmäßige Schichthomogenisierung sicherzustellen.
5 zeigt ein Härtungssystem als weiteren Teil des Schichterzeugungssystems zum Erzeugen einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat. Die in 5 gezeigten Komponenten können insbesondere eine Ergänzung zu den in 1 gezeigten Komponenten darstellen, so dass das gesamte Schichterzeugungssystem die Komponenten der 1 und 5 zusammenfasst, also zunächst das Auftragen einer Schicht aus einem fließfähigen Polymer auf dem Substrat 1 und danach das Aushärten der Polymerschicht auf dem Substrat 1.
Bei dem Härtungssystem von 5 wird dementsprechend davon ausgegangen, dass das Substrat 1 bereits mit einer fließfähigen Polymerschicht bedeckt ist, die nun aber noch gehärtet werden muss, um formstabil zu werden und dem eigentlichen Zweck, z.B. als Tiefdruckwalze dienen zu können.
Das Substrat 1, z.B. die Tiefdruckwalze, wird - wie bei dem System von 1 - weiterhin in der nicht dargestellten Aufnahme gehalten und in Rotationsrichtung R gedreht.
Am Umfang des Substrats 1 ist eine Härtungsvorrichtung 20 angeordnet, die die Polymerschicht mit Hilfe von UV-Licht härtet.
Das gesamte, mit Komponenten der 1 und 5 gebildete Schichterzeugungssystem kann somit die in 1 gezeigte Beschichtungsvorrichtung 2 und die Härtungsvorrichtung 20 aufweisen. Damit lässt sich zunächst durch die Beschichtungsvorrichtung 2 eine Polymerschicht auf der Mantelfläche des Substrats 1 auftragen und nachfolgend durch die Härtungsvorrichtung 20 mithilfe von UV-Lichtbestrahlung härten. Bei beiden Verfahrensschritten kann das Substrat 1 um seine Haupt- bzw. Längsachse gedreht werden, während die Beschichtungsvorrichtung 2 einerseits und die Härtungsvorrichtung 2 andererseits entlang der Mantelfläche bewegt werden.
Bei der UV-Härtung von Polymeren mittels LED besteht die Gefahr das die durch die UVA Strahlung der LED freigesetzten freien Radikale des Photoinitiators durch den Luftsauerstoff gebunden werden und somit eine vollständige Oberflächenhärtung verhindert wird. Daher muss die UV-Bestrahlung unter Inertgasatmosphäre erfolgen. Um das zu erreichen, weist die Härtungsvorrichtung 20 nicht nur eine UV-Lichteinrichtung 21, sondern auch eine Inertgaszuführeinrichtung 22 auf.
Analog zu der Beschichtungsvorrichtung 2 in 1 weist auch die Härtungsvorrichtung 20 eine nicht gezeigte Härtungs-Translationseinrichtung auf, mit der die Härtungsvorrichtung 20 in einer Translationsrichtung X entlang der Längsachse des Substrats 1 bewegt werden kann. Parallel dazu vollzieht das Substrat die Rotation in Rotationsrichtung R, so dass sich resultierend die Spiralbewegung S ergibt. Auf diese Weise kann die Härtungsvorrichtung 20 mit der UV-Lichteinrichtung 21 die gesamte Oberfläche der auf der Mantelfläche des Substrats 1 ausgebrachten Polymerschicht überstreichen und auf diese Weise das Polymer aushärten.
Analog wie die oben beschriebene Beschichtungsvorrichtung 2 weist auch die Härtungsvorrichtung 20 eine nicht dargestellte Härtungs-Positionierungseinrichtung auf, mit einer Abstandsregeleinrichtung, um den Abstand der Härtungsvorrichtung 20 in Richtung Z, d.h. in Richtung der Oberfläche des Substrats 1 (Radialrichtung des Substrats 1) einstellen zu können. Zu diesem Zweck ist eine Abstandsmesseinrichtung 23 vorgesehen. Das präzise Einhalten des Abstands ist wichtig, um ein zufriedenstellendes Härtungsergebnis erreichen zu können.
6 zeigt die Härtungsvorrichtung 20 in vergrößerter Schnittdarstellung. Die Härtungsvorrichtung 20 wird in Relation zu zwei Substraten 1a, 1b mit unterschiedlicher Größe dargestellt, um zu verdeutlichen, dass die Härtungsvorrichtung 20 für Substrate 1 mit deutlich unterschiedlichen Durchmessern eingesetzt werden kann.
Etwa mittig weist die Härtungsvorrichtung 20 die UV-Lichteinrichtung 21 auf, die im gezeigten Beispiel senkrecht angeordnet ist und an deren Unterseite das UV-Licht über eine Lichtöffnung 21a (7) austreten kann, wie später noch erläutert wird.
Die in 6 rechts von der UV-Lichteinrichtung 21 angeordnete Inertgas-Zuführeinrichtung 22 weist eine Gaszuleitung 24 auf, über die Inertgas von einem Speicher, z.B. einer Gasflasche oder einem Gastank zugeführt wird. Als Inertgas ist insbesondere Stickstoff gut geeignet. Der Zufluss des Inertgases zu der Lichtöffnung 21a der UV-Lichteinrichtung 21 wird durch einen Massenflussregler 25 geregelt. Dies wird später noch im Detail erläutert.
7 zeigt den Bereich unterhalb der UV-Lichteinrichtung 21 in einer gegenüber der 6 vergrößerten Darstellung. Die als Austrittsöffnung der UV-Lichteinrichtung 21 dienende Lichtöffnung 21a, an der das UV-Licht austritt, um das Polymermaterial zu bestrahlen, ist durch eine UV-lichtdurchlässige Quarzglasabdeckung 26 abgedeckt.
Zwischen der UV-Lichteinrichtung 21 bzw. der Quarzglasabdeckung 26 einerseits und der davon beabstandeten Oberfläche des mit der Polymerschicht bedeckten Substrats 1 andererseits ist ein Härtungsspalt 27 ausgebildet. Stromauf von der Quarzglasabdeckung 26 und dem Härtungsspalt 27 weist die Inertgaszuführeinrichtung 22 eine Einspüldüse 28 auf, über die das Inertgas über einen Gaseintritt 29 in den Härtungsspalt 27 eingeleitet werden kann. Die Einspüldüse 28 ist am Ende eines Einspültrichters 30 angeordnet, an den sich ein Einspülkanal 31 anschließt, wie 8 zeigt.
8 zeigt einen Schnitt durch den Einspülkanal 31 von 7. Dabei ist gut erkennbar, dass das über eine Gasleitung 32 von dem Massenflussregler 25 zugeführte Inertgas in dem Einspültrichter 30 aufgefächert und nachfolgend in dem schmalen Einspülkanal 31 beruhigt wird. In dem Einspülkanal 31, der auch als Beruhigungsstrecke dient, kann eine im Wesentlichen laminare Strömung des Inertgases erreicht werden, so dass das Inertgas über die gesamte Breite der Einspüldüse 28 ausgelassen und dabei Polymermaterial auf den Substraten 1a, 1b abdecken kann, bevor dieser dann durch Inertgas geschützte Bereich des Polymermaterials die Lichtöffnung 21a an der Quarzglasabdeckung 26 im Härtungsspalt 27 erreicht, wo die UV-Bestrahlung stattfindet.
Nach dem Verlassen der Einspüldüse 28 ist zu erwarten, dass sich das Inertgas teilweise mit Luftsauerstoff vermischen wird, da sich der Bereich des Gaseintritts 29 in den Härtungsspalt 27 nicht vollständig zur Umgebung hin abdichten lässt.
Der Härtungsspalt 27 wird somit nicht von reinem Inertgas, sondern von einem Gasgemisch durchströmt, das außer Inertgas auch Restbestandteile von Sauerstoff enthalten wird. Die zur Verringerung des Eintretens von Umgebungsluft vorgesehenen Dichtungsmaßnahmen sowie die Maßnahmen zum Erreichen eines vorgegebenen Anteils von Inertgas in dem Gasgemisch werden später noch erläutert.
Stromab von der Quarzglasabdeckung 26 bzw. dem Härtungsspalt 27, also nach der UV-Bestrahlung, endet der Härtungsspalt 27 an einem Gasaustritt 33. Dort ist eine Gasabführeinrichtung 34 mit einer nachfolgend angeordneten Messkammer 35 vorgesehen. Die Gasabführeinrichtung 34 kann insbesondere als Spalt ausgebildet sein und einen Verbindungskanal vom Ende des Härtungsspalts 27 (Gasaustritt 33) zur Messkammer 35 herstellen. Ein Teil des Inertgases wird somit über die Gasabführeinrichtung 34 bzw. zu der Messkammer 35 abgeführt, während ein anderer, nicht von der Gasabführeinrichtung 34 erfasster Teil des Inertgases an die Umgebung entweichen kann.
Zum Reduzieren der Inertgasaustritte bzw. -verluste in die Umgebung ist der Härtungsspalt 27 allseitig, d.h. an allen vier Seiten durch berührungslose Dichtungen abgedichtet, die insbesondere in Form von Rakeldichtungen 36 ausgebildet sind. Die Rakeldichtungen 36 weisen ein oder mehrere Blechelemente auf, die aneinander gestaffelt angeordnet sind und Strömungshindernisse darstellen, so dass das Inertgas nicht ungehindert nach außen abströmen kann. Damit und in Verbindung mit einer später noch erläuterten Gasfördereinrichtung kann erreicht werden, dass nur ein verhältnismäßig geringer Teil des Inertgases in die Umgebung entweicht, während der andere Teil über die Messkammer abgesaugt wird.
In der Messkammer 35 ist eine Lambdasonde (λ-Sonde) 37 als Teil einer Sauerstoffmesseinrichtung vorgesehen. Mit Hilfe der Sauerstoffmesseinrichtung kann der (Rest-)Sauerstoffgehalt in dem Inertgas stromab von dem Ort der UV-Bestrahlung an der Lichtöffnung 21a gemessen werden. Damit kann die Zuflussmenge an Inertgas bzw. das Verhältnis von Inertgas zu Sauerstoff mithilfe des Massenflussreglers 25 geregelt werden, um einerseits dem Restsauerstoffgehalt in einem vorgegebenen Bereich und damit andererseits auch den Inertgasgehalt in einem vorgegebenen Bereich zu halten, um einen wirksamen Schutz der Polymeroberfläche vor Oxidation während der UV-Bestrahlung sicherzustellen. Hier hat sich ein Restsauerstoffgehalt von 0,1% bis 10%, insbesondere von 0,5% bis 5%, abhängig vom Härtungsverhalten der Polymermischung, als geeignet erwiesen.
Der Inertgasstrom wird mit Hilfe einer Gasfördereinrichtung 38 bewirkt, die einen Absaugventilator 39 aufweist. Der Absaugventilator 39 erzeugt einen Unterdruck, mit dem das Gasgemisch aus der Inertgaszuführeinrichtung 22 über den Härtungsspalt 27 abgesaugt wird. Der Gasfluss erfolgt somit über die Gaszuleitung 24, den Massenflussregler 25, die Gasleitung 32, den Einspültrichter 30, die Einspüldüse 28, den Härtungsspalt 27, die Gasabführeinrichtung 34, die Messkammer 35 und den Absaugventilator 39.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2021/052641 A1 [0003, 0011, 0038]

Claims

Härtungsvorrichtung (20) zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat (1), mit - einer UV-Lichteinrichtung (21) zum Erzeugen von UV-Licht und Bereitstellen des UV-Lichts an einer Lichtöffnung (21a); - einem vor der Lichtöffnung (21a) angeordneten Härtungsspalt (27); - einer Inertgaszuführeinrichtung (22) zum Zuführen von Inertgas zu dem Härtungsspalt (27) stromauf von der Lichtöffnung (21a); - einem Inertgasstrom durch den Härtungsspalt (27); und mit - einer Sauerstoffmesseinrichtung (37) zum Messen des Sauerstoffgehalts in dem Inertgas stromab von der Lichtöffnung (21a).
Härtungsvorrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei die Lichtöffnung (21a) mit einem UV-lichtdurchlässigen Quarzglas (26) bedeckt ist.
Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Positionierungseinrichtung vorgesehen ist, zum Positionieren der UV-Lichteinrichtung (21a).
Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei - die Positionierungseinrichtung eine Abstandsregeleinrichtung aufweist; - die Abstandsregeleinrichtung eine Abstandsmesseinrichtung (23) zum Messen des Abstands zwischen der UV-Lichteinrichtung (21) und einer Oberfläche der Polymerschicht und/oder einer Oberfläche des Substrats (1) aufweist; und wobei - die Abstandsregeleinrichtung eine Abstandsstelleinrichtung aufweist, zum Einstellen des Abstands der UV-Lichteinrichtung (21) zu der Oberfläche der Polymerschicht und/oder der Oberfläche des Substrats (1), derart, dass der Abstand einem vorgegebenen Wert entspricht.
Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Gasfördereinrichtung (38) vorgesehen ist, zum Erzeugen des Inertgasstroms durch den Härtungsspalt (27).
Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei - die Inertgaszuführeinrichtung (22) ausgebildet ist, um Inertgas von einer Inertgasquelle zu einem Gaseintritt (29) des Härtungsspalts (27) zu führen; - die Inertgaszuführeinrichtung (22) eine Einspüldüse (28) aufweist, zum Einbringen des Inertgases in den Härtungsspalt (27); und wobei - die Inertgaszuführeinrichtung (22) stromauf von dem Gaseintritt (29) eine Beruhigungsstrecke (31) aufweist, zum Mindern von turbulenten Strömungen in dem zugeführten Inertgas.
Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Inertgaszuführeinrichtung (22) einen Massenflussregler (25) aufweist, zum Regeln des Zuflusses von Inertgas von der Inertgasquelle.
Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei - stromab von dem Härtungsspalt (27) ein Gasaustritt (33) vorgesehen ist, über den Inertgas aus dem Härtungsspalt (27) austritt; - stromab von dem Gasaustritt (33) eine Gasabführeinrichtung (34) vorgesehen ist; - die Gasabführeinrichtung (34) eine Messkammerzuführung aufweist, die an dem Gasaustritt (34) angeordnet ist und über die aus dem Härtungsspalt (27) austretendes Inertgas zu einer Messkammer (35) führbar ist; und wobei - die Sauerstoffmesseinrichtung (37) ausgebildet ist, um den Sauerstoffgehalt in der Messkammer zu messen.
Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Restsauerstoffregeleinrichtung vorgesehen ist, die die Sauerstoffmesseinrichtung (37) aufweist und ausgebildet ist, um den durch die Sauerstoffmesseinrichtung (37) gemessenen Sauerstoffgehalt in einem vorgegebenen Bereich zu halten.
Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gasfördereinrichtung (38) am stromabseitigen Ende der Gasabführeinrichtung (34) vorgesehen ist.
Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Härtungsspalt (27), der Gaseintritt (29) und der Gasaustritt (33) wenigstens teilweise durch eine berührungslose Dichtung (36) zur Umgebung hin abgedichtet sind.
Härtungssystem zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat (1), mit - einer Härtungsvorrichtung (20) nach einem der vorstehenden Ansprüche; - einer Substrataufnahme zum Halten des zylindrischen Substrats; - einer Translationseinrichtung zum Bewegen der Härtungsvorrichtung in einer Translationsrichtung (X); - einer Rotationseinrichtung zum Bewegen des von der Substrataufnahme getragenen Substrats in einer Rotationsrichtung (R); und mit - einer Bewegungssteuerung, die ausgebildet ist, um die Bewegung durch die Translationseinrichtung mit der Bewegung der Rotationseinrichtung derart zu koordinieren, dass die Härtungsvorrichtung relativ zu dem Substrat eine Spiralbewegung (S) vollzieht.
Verfahren zum Härten einer Polymerschicht auf einem zylindrischen Substrat (1), mit den Schritten - Erzeugen von UV-Licht und Bereitstellen des UV-Lichts an einer Lichtöffnung (21a); - Zuführen von Inertgas zu einem vor der Lichtöffnung (21a) angeordneten Härtungsspalt (27) stromauf von der Lichtöffnung (21a); - Erzeugen eines Inertgasstroms durch den Härtungsspalt (27); und - Messen des Sauerstoffgehalts in dem Inertgas stromab von der Lichtöffnung (21a).