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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum thermischen Aufwalzen eines Beschichtungsmaterials auf einen
Träger
mit mindestens einer Walze und einem Gegenelement, zwischen welche
das Werkstück
bringbar ist.
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Ferner betrifft die Erfindung ein
Verfahren zum thermischen Aufwalzen eines Beschichtungsmaterials
auf einen Träger.
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Zur Herstellung von Polymermembran-Elektrolyt-Brennstoffzellen
(PEFC) wird beispielsweise eine Elektrodenschicht thermisch auf
eine Membran aufgewalzt. Entsprechende Verfahren sind in der
DE 197 57 492 A1 und
in der deutschen Patentanmeldung Nr. 101 12 232.2 offenbart.
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Aus der
DE 197 12 498 C2 ist eine
Vorrichtung zum Verschweißen
flach aufeinanderliegender Werkstücke bekannt, welche eine einstellbare
und im Schweißbereich
ortsfeste Sonotrode und mindestens eine dieser Sonotrode zugeordnete
Konturwalze umfaßt.
Der Mantel der Konturwalze ist mit einem der Kontur der zu bildenden
Schweißnähte entsprechenden
Konturprofil versehen und rotiert mit einer der Geschwindigkeit
der durchlaufenden Werkstücke entsprechenden
Umfangsgeschwindigkeit. Die Sonotrode ist von einem endlos, über Umlenk-
und Antriebsrollen umlaufenden Riemen oder Gurt eingefaßt. Das
Fördertrum
des Riemens, welches die aktive Fläche der Sonotrode passiert,
drückt
die durchlaufenden, zu verschweißenden Werkstücke gegen die
Konturwalze an.
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Beim thermischen Aufwalzen besteht
das Problem, daß die
zu verwalzenden Materialien (Beschichtungsmaterialien) teilweise
an der Walze haften bleiben können.
Neben einer Kompaktierung (Verdichtung) können bei der Aufschmelzung
auch noch zusätzliche
Strukturänderungen
im Beschichtungsmaterial entstehen.
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Es ist bekannt, Walzen mit speziellen
Oberflächen
zu beschichten, beispielsweise mit PTFE, oder Oberflächen zu
polieren. Dazu ist allerdings ein hoher Herstellungsaufwand erforderlich.
Darüber
hinaus stehen für
spezielle Anwendungen und Materialien unter Umständen keine geeigneten Oberflächenbeschichtungen
für eine
Walze zur Verfügung, um
ein Anhaften zu vermeiden. Bei PTFE-Oberflächenbeschichtungen besteht
das grundsätzliche
Problem, daß sich
ein dünner
PTFE-Film auf dem verwalzten Werkstück ausbilden kann. Dies ist
insbesondere von Nachteil, wenn Elektroden für eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle hergestellt
werden sollen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen,
welche einfach aufgebaut ist und mit der sich eine sichere Ablösung des
Werkstücks
von der Walze erreichen läßt.
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Diese Aufgabe wird bei der eingangs
genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der mindestens
einen Walze ein Wärmekontaktelement
zugeordnet ist, welches bei und/oder nach dem Aufwalzen des Bearbeitungsmaterials
auf den Träger
in Kontakt mit dem Werkstück
steht, so daß das
Werkstück über das
Wärmekontaktelement abkühlbar ist.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung läßt sich
eine Abkühlung
des Werkstücks
an einem Werkzeug, nämlich
dem Wärmekontaktelement,
erreichen, ohne daß beispielsweise
die Walze gekühlt werden
muß. Das
Wärmekontaktelement
läßt sich dabei
so ausbilden, daß es
eine erheblich niedrigere Wärmekapazität aufweist
als die Walze, so daß eine effektive
Abkühlung
erreicht ist.
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Durch die Abkühlung an dem Wärmekontaktelement
wird ein dauerhaftes Anhaften von Beschichtungsmaterial an der Walze
nach der Aufwalzung vermieden. Das Werkstück läßt sich dann auch auf einfache
Weise von dem Wärmekontaktelement lösen bzw.
fällt von
selbst ab, da über
das Wärmekontaktelement
ja eine Abkühlung
erreicht wurde.
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Es hat sich gezeigt, daß mit einer
solchen Vorrichtung sich beispielsweise bei Temperaturen in der
Größenordnung
von 160°C
Elektrodenschichten auf eine Membran aufwalzen lassen und das Werkstück nach
Aufwalzung sich von dem Wärmekontaktelement
lösen läßt.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es,
wenn das Wärmekontaktelement
aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
hergestellt ist. Dadurch kann auf effektive Weise eine Wärmeübertragung
von dem Werkstück
auf das Wärmekontaktelement
und von dort beispielsweise an die Umgebungsluft erfolgen, um so
wiederum das Werkstück
abzukühlen.
Wenn das Wärmekontaktelement
eine große
Fläche
aufweist, dann kann bei hoher thermischer Leitfähigkeit ein Wärmeaustausch
mit der gesamten Umgebung erfolgen.
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Insbesondere weist das Wärmekontaktelement
eine größere Kontaktfläche für das Werkstück auf als
die mindestens eine Walze. Dadurch wird für eine bestimmte Stelle des
Werkstücks
eine längere Abkühlungszeit
bereitgestellt bzw. eine längere
Abkühlungsstrecke,
so daß von
der Walze weg eine effektive Abkühlung
erfolgen kann.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es,
wenn das Wärmekontaktelement
die mindestens eine Walze umgibt. Dadurch läßt sich zum einen eine große Fläche für den Wärmeaustausch
des Wärmekontaktelements
beispielsweise mit der Umgebungsluft bereitstellen, um so für eine effektive
Kühlung
des Werkstücks
zu sorgen. Weiterhin läßt sich
dadurch ein direkter Kontakt der Walze mit dem Werkstück vermeiden,
so daß hierüber wiederum
eine effektive Kühlung
des Werkstücks
bewirkt wird. Dadurch, daß das Wärmekontaktelement
die Walze umgibt, läßt sich auch
auf einfache Weise ein großer
Kontaktbereich für
das Wärmekontaktelement
mit dem Werkstück bereitstellen.
Vorzugsweise weist dabei das Wärmekontaktelement
die gleiche Länge
parallel zu einer Drehachse der Walze auf wie die Walze.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn das
Wärmekontaktelement
eine geschlossene Außenfläche aufweist.
Mit dieser geschlossenen Außenfläche läßt sich
das Wärmekontaktelement
auf dem Werkstück abrollen,
um so bei einem kontinuierlichen Aufwalzprozeß auch eine kontinuierliche
Abkühlung
des Werkstücks
bei vergrößerter Kontaktfläche (entsprechend
einer Wärmeübertragungsfläche von
Werkstück
auf das Wärmekontaktelement)
bereitzustellen.
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Weiterhin ist es günstig, wenn
zwischen dem Wärmekontaktelement
und der zugeordneten Walze ein Zwischenraum gebildet ist, welcher
insbesondere luftgefüllt
ist. Dadurch kann insbesondere bei hoher thermischer Leitfähigkeit
das Wärmekontaktelement Wärme nach
außen
hin von der Außenfläche weg
abgeben, aber auch nach innen hin in den Zwischenraum. Die Wärmeübertragungsfläche wird
damit näherungsweise
verdoppelt. Darüber
hinaus läßt sich auf
diese Weise die Wärmekapazität des Wärmekontaktelements
minimieren, so daß eine
effektive Wärmeübertragung
von dem Werkstück
vermittelt über das
Wärmekontaktelement
an die Umgebungsluft gewährleistet
ist.
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Insbesondere ist das Wärmekontaktelement als
Hohlkörper
und insbesondere im Querschnitt ringförmig oder näherungsweise ringförmig ausgebildet.
Dadurch läßt sich
der Wandanteil des Wärmekontaktelements
minimieren und damit dessen Wärmekapazität. Durch
eine ringförmige
Ausbildung wird eine große
Wärmeübertragungsfläche bereitgestellt, welche
durch den Innenmantel und den Außenmantel des Wärmekontaktelements
gebildet ist. Weiterhin läßt sich
auf einfache Weise eine Mitführung
des Wärmekontaktelements
bei der Rotation einer Walze erreichen, um so einen kontinuierlichen
Betrieb zu ermöglichen,
wenn beispielsweise der Träger
ein Trägerband
ist.
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Günstig
ist es, wenn ein Durchmesser des Wärmekontaktelements wesentlich
größer ist
als eine Dicke des Wärmekontaktelements,
so daß die Wärmekapazität des Wärmekontaktelements
gering gehalten ist.
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Um eine gute Anlage des Wärmekontaktelements
an das Werkstück
(nach Aufwalzung des Beschichtungsmaterials) zu ermöglichen,
ist vorteilhafterweise das Wärmekontaktelement
abgeplattet geführt.
Die Abplattung liegt dabei dem Werkstück zugewandt vor, um so eine
große
Kontaktfläche
zwischen Wärmekontaktelement
und Werkstück
bereitzustellen.
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Insbesondere ist es vorgesehen, daß das Wärmekontaktelement
mit der zugeordneten Walze rotierbar ist, um so einen kontinuierlichen
Betrieb mit Aufwalzung und nachfolgender Abkühlung des Werkstücks an dem
Wärmekontaktelement
zu ermöglichen.
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Bei einer konstruktiv einfachen Ausführungsform
ist das Wärmekontaktelement
an der Walze abrollbar, so daß kein
zusätzlicher
Antrieb für
das Wärmekontaktelement
vorgesehen werden muß.
Insbesondere liegt dann eine Kontaktstelle zwischen der Walze und
dem Wärmekontaktelement
vor, die an der Aufwalzstelle liegt, über die dann die Walze gleichzeitig
mit der Aufwalzung das Wärmekontaktelement
antreibt.
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Um eine Rotierbarkeit des Wärmekontaktelement
zu ermöglichen,
sind eine oder mehrere Stützwalzen
zur Führung
des Wärmekontaktelements
vorgesehen. Dadurch läßt sich
auf fertigungstechnisch und konstruktiv einfache Weise während eines
kontinuierlichen Aufwalzvorgangs eine Kontaktierung des Werkstücks mit
dem Wärmekontaktelement
gewährleisten.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn
das Wärmekontaktelement
elastisch ausgebildet ist und insbesondere bezüglich einer äußeren Form
elastisch ausgebildet ist. Dadurch ist es möglich, das Wärmekontaktelement,
insbesondere wenn dieses ringförmig
ausgebildet ist, so zu verformen, daß eine größere Anlagefläche mit
dem Werkstück
bereitgestellt ist um so wiederum eine effektive Abkühlung des
Werkstücks
an dem Wärmekontaktelement
zu ermöglichen.
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Um auf einfache Weise eine effektive
thermische Aufwalzung zu ermöglichen,
ist vorteilhafterweise die mindestens eine Walze beheizt.
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Es kann vorgesehen sein, daß das Gegenelement
ebenfalls eine Walze ist. Dadurch läßt sich auf einfache Weise
ein Durchtransport des Werkstücks durch
die Vorrichtung realisieren. Über
das Gegenelement läßt sich
dann auch auf die andere Seite des Trägers ein Beschichtungsmaterial
aufwalzen.
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Insbesondere kann auf beide Seiten
des Trägers
ein Beschichtungsmaterial thermisch aufgewalzt werden, wenn das
Gegenelement beheizt ist. Es ist dann vorteilhaft, wenn auch dem
Gegenelement als Walze ein Wärmekontaktelement
wie oben beschrieben zugeordnet ist.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird
ferner erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß bei
dem eingangs genannten Verfahren mit der Walze ein Wärmekontaktelement
mitgeführt
wird, welches in Kontakt mit dem Werkstück steht und über welches
das Werkstück
abgekühlt
wird.
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Die erfindungsgemäßen Vorteile wurden bereits
im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im
Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
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Insbesondere ist es vorteilhaft,
wenn das Wärmekontaktelement
rotierend mit der Walze geführt
ist, um so beim kontinuierlichen Betrieb auch eine kontinuierliche
Abkühlung
nach der Aufwalzung zu erreichen.
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Dies läßt sich auf einfache Weise
erreichen, wenn das Wärmekontaktelement
an der Walze abrollt, um so eben eine Rotationsführung des Wärmekontaktelement zu erreichen,
ohne einen separaten Antrieb für
das Wärmekontaktelement
vorsehen zu müssen.
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Die nachfolgende Beschreibung einer
bevorzugten Ausführungsform
dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung.
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Die einzige 1 zeigt eine schematische Seitenansicht
eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Aufwalzen eines Beschichtungsmaterials auf einen Träger.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
welche in der 1 als
Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt eine Walze 12,
welche um eine Achse 14 drehbar ist. Die Walze 12,
welche zylindrisch ausgebildet ist, ist über einen Antrieb (in der Zeichnung
nicht gezeigt) angetrieben.
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Die Walze 12 ist beheizt.
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Zu der Walze 12 ist ein
Gegenelement 16 vorgesehen, bei dem es sich insbesondere
ebenfalls um eine Walze handelt. Diese Walze 16 als Gegenelement
ist dann um eine Drehachse 18 drehbar, welche parallel
zu der Drehachse 14 ist.
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Die Drehrichtungen der beiden Walzen 12 und 16 sind
entgegengesetzt. Ferner weisen die beiden Walzen 12 und 16 den
gleichen Durchmesser quer zu ihren jeweiligen Drehachsen 14, 18 auf
(und vorzugsweise gleiche Längenabmessungen
längs der
Drehachsen 14, 18). Dadurch weisen die beiden Walzen 12 und 16 jeweils
an einer Stelle, welche auf der Verbindungslinie zwischen den Drehachsen 14 und 18 senkrecht
zu diesen Drehachsen 14 und 18 am jeweiligen Außenumfang
der Walzen 12 und 16, eine parallele Umfangsgeschwindigkeit
auf.
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Die Walze 16 als Gegenelement
kann beheizt sein oder unbeheizt sein.
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Zwischen die beiden Walzen 12 und 16 ist ein
Werkstück 20 bringbar
und relativ zu diesen bewegbar. Insbesondere wird das Werkstück durch
die Walzen 12 und 16 transportiert, wobei zusätzliche Transporteinrichtungen
zur Durchführung
des Werkstücks 20 durch
die Vorrichtung 10 vorgesehen sein können.
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Durch die Walze 12 ist ein
Beschichtungsmaterial auf einen Träger 22 thermisch aufwalzbar. Wenn
die Walze 16 beheizt ist, dann ist auf der der Walze 12 gegenüberliegenden
Seite des Trägers 22 ebenfalls
ein Beschichtungsmaterial aufwalzbar, d. h. auf den Träger ist
ein Beschichtungsmaterial beidseitig aufwalzbar. Es kann aber vorgesehen
sein, daß nur
auf einer Seite des Trägers 22 ein
Material aufgewalzt wird.
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Bei dem Träger 22 kann es sich
beispielsweise um eine Membran für
eine Polymermembran-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) handeln, auf die
eine Elektrodenschicht aufgewalzt werden soll.
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Der Walze 12 ist ein Wärmekontaktelement 24 zugeordnet,
welches bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
die Walze 12 umgibt. Das Wärmekontaktelement 24 weist
eine geschlossene Außenfläche 24 auf,
die näherungsweise
einem abgeplatteten Zylindermantel entspricht.
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Das Wärmekontaktelement 24 ist
dabei als Hohlkörper
und insbesondere im Querschnitt näherungsweise ringförmig ausgebildet
mit einem Ringmantel 28, welcher eine Dicke d aufweist,
die wesentlich kleiner ist als der Durchmesser der Walze 12.
Näherungsweise
hat das Wärmekontaktelement 24 die Form
eines Hohlzylinders.
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Weiterhin ist zwischen dem Ringmantel 28 und
der Walze 12 ein Zwischenraum 30 gebildet, der insbesondere
luftgefüllt
ist, wobei dieser Zwischenraum 30 die Walze 12 umgibt.
Die Walze 12 berührt den
Ringmantel 28 des Wärmekontaktelements 24 im
wesentlichen nur an einer Aufwalzstelle 32, bei welcher
die Walze 12 über
das Wärmekontaktelement 24 das
Werkstück 20 berührt, um
eben ein thermisches Aufwalzen zu bewirken.
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Der Durchmesser des näherungsweise
ringförmigen
Ringmantels 28 ist größer als
der Durchmesser der Walze 12, um so eben einen Zwischenraum 30 bilden
zu können.
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Dadurch ist zum einen die Wärmekapazität des Wärmekontaktelements 24 gegenüber derjenigen
der Walze 12 erniedrigt und zum anderen kann das Wärmekontaktelement 24 Wärme an die
Luft im Zwischenraum 30 abgeben.
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Das Wärmekontaktelement 24 ist
mit der Walze 12 rotierbar angeordnet, so daß eine Drehung der
Walze 12 auch zu einer Drehung des Wärmekontaktelements 24 führt. Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist die Walze innerhalb des Ringmantels 28 an dem Wärmekontaktelement 24 abrollbar,
so daß die angetriebene
Drehbewegung der Walze 12 zu einer Drehung des Wärmekontaktelements 24 insbesondere
synchronisiert mit der Walze 12 führt. Zur Führung des Wärmekontaktelements 24 sind
dabei Stützwalzen 34, 36 vorgesehen, über welche
zum einen die Abrollbarkeit des Wärmekontaktelements 24 an
der Walze 12 gewährleistet
ist und zum anderen eine Formeinstellung des Ringmantels 28 zumindest zwischen
den Stützwalzen 34, 36 vorgebbar
ist.
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Die Stützwalzen 34, 36 weisen
eine Achse parallel zu den Drehachsen 14, 18 auf.
Sie können selber
drehbar angeordnet sein und/oder eine Gleitfläche für das Wärmekontaktelement 24 aufweisen.
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Bei dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel
ist auch dem Gegenelement 16, insbesondere wenn dies beheizt
ist, ein Wärmekontaktelement 38 zugeordnet,
welches grundsätzlich
gleich ausgebildet ist wie das Wärmekontaktelement 24.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 funktioniert
wie folgt:
Der Träger 22 wird
dem Walzenpaar 12, 16 zugeführt, wobei ein Beschichtungsmaterial
auf den Träger 22 aufgewalzt
wird. Die Walzen 12, 16 sind dabei beheizt, so
daß ein
thermisches Aufwalzen erfolgt.
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An der Aufwalzstelle 32 wird über die
Walze 12 ein entsprechender Aufwalzdruck auf das Beschichtungsmaterial
zu dessen Kompaktierung ausgeübt,
wobei das Wärmekontaktelement 24 die
Walze 12 umgebend so geführt ist, daß das Wärmekontaktelement 24 an
der Aufwalzstelle 32 an der Walze 12 anliegt.
Bei Weiterbewegung der Walze 12 wandert diese Stelle weiter
(in 1 nach rechts).
Das Werkstück 20 verbleibt
in Kontakt mit dem Wärmekontaktelement 24,
ist dabei aber nach dem Aufwalzen an der Aufwalzstelle 32 von
der Walze 12 gelöst, d.
h. steht nicht mehr in direktem Druckkontakt mit dieser.
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Das Wärmekontaktelement 24 weist
folglich eine größere Kontaktfläche mit
dem Werkstück 20 auf
als die Walze 12 (mit dem Wärmekontaktelement 24 dazwischen).
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Das Wärmekontaktelement 24 ist
aus einem gut wärmeleitfähigen Material
und insbesondere aus einem Metall wie Aluminium hergestellt. Dadurch kann
das Werkstück 20 an
dem Wärmekontaktelement 24 abkühlen, d.
h. an einem Werkzeug abkühlen.
Da der Ringmantel 28 die Walze 12 umgibt und die
Kontaktfläche
vergrößert ist,
läßt sich
eine größere Abkühlstrecke
und damit auch eine längere
Abkühlzeit
für eine
bestimmte Stelle des Werkstücks 20 bereitstellen.
Dadurch wiederum wird ein Anhaften des Werkstücks 20 nach Aufwalzen
des Beschichtungsmaterials an der Walze 12 verhindert,
da eine definierte Abkühlung
an dem Wärmekontaktelement 24 erfolgt
und sich dann das Werkstück 20 von
dem Wärmekontaktelement 24 (nach
erfolgter Abkühlung) leicht
ablösen
läßt.
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Da das Wärmekontaktelement 24 einen
dünnen
Ringmantel 28 aufweist, hat es eine erheblich geringere
Wärmekapazität als die
Walze 12, so daß ein
guter und schneller Wärmeaustausch
mit der Umgebung erfolgen kann.
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Das Wärmekontaktelement 24 ist
insbesondere so ausgebildet, daß es
elastisch verformbar ist, so daß bei
entsprechender Führung
des Wärmekontaktelements 24 dieses über einen
vergrößerten Kontaktbereich 40 an
das Werkstück 20 anlegbar
in der Art einer Abplattung eines Rings ist. Bei vorgegebener Durchlaufgeschwindigkeit
des Werkstücks 20 durch
die Vorrichtung 10 bestimmt dann die Länge dieses Kontaktbereichs 40 in
Richtung des Durchlaufgeschwindigkeitsvektors die Abkühlzeit des Werkstücks 20 in
dem Wärmekontaktelement 24.
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Durch solch eine erfindungsgemäße Abkühlung des
Werkstücks 20 an
dem Wärmekontaktelement 24,
d. h. an dem Werkzeug, haben sich gute Ergebnisse bezüglich des
Aufwalzens von Beschichtungsmaterialien auf eine Membran erzielen
lassen, um so elektrolytische Elektroden herzustellen; trotz Aufheizung
auf ca. 160°C
kann das Werkstück 20 von
dem Wärmekontaktelement 24 nach
Abkühlung abgelöst werden.
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Durch das Abrollen des Wärmekontaktelements 24 an
der Walze 12 wird dieses mit der Walze 12 mitgeführt und
damit läßt sich
ein kontinuierlicher Betrieb erreichen, d. h. während des kontinuierlichen Aufwalzens
auf ein bandförmiges
Werkstück 20 wird gleichzeitig
kontinuierlich der Kontaktbereich 40 und damit die Abkühlstrecke
bereitgestellt.