DE19817237C2 - Verfahren zur Herstellung einer mit Kavitäten besetzten Matrix und Vorrichtung mit einer derartigen Matrix - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mit kapillarartigen Kavitäten in hoher Dichte besetzten Ma­ trix auf einer Oberfläche zur Formung von Thermoplast- Halbzeugen mit einer velourartigen Oberfläche, bei dem mit Hilfe von elektromagnetischen Strahlen hoher Leistungsdichte, insbesondere Laserstrahlen, Kavitäten in einem Feststoff- Substrat als Matrix-Träger erzeugt werden.

In der DE 195 24 076 C1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines oberflächenstrukturierten, folienartigen Halbzeugs aus einem Thermoplasten beschrieben. Verwendet wird dabei eine mit einer Negativstruktur (Matrix) ausgearbeitete Walzenober­ fläche, die eine Mantelschicht aus einem Kunststoff besitzt. Die Mantelschicht ist zur Herstellung von mit velourartiger Oberfläche versehenem Halbzeug geeignet und umfaßt haarfeine Poren, die mit Hilfe eines Energiestrahls, vorzugsweise La­ serstrahls, in die Mantelschicht eingebracht sind.

Der im Stand der Technik als Feststoff-Substrat genannte Kunststoff ist vorzugsweise Polytetrafluorethylen (TEFLON oder VITON, Handelsmarken der DuPont, USA). Es hat sich ge­ zeigt, daß die Herstellung von Matrizen mit derartigen Kunst­ stoffen zwar durchaus möglich ist, jedoch insbesondere den Nachteil hat, daß die bei der Laserbohrung entstehenden Abga­ se stark ätzendes HF (Fluorwasserstoff-Gas bzw. Flußsäure) enthalten, die einen erheblichen technologischen Aufwand nach sich ziehen, insbesondere das Erfordernis von Exhaustoren und dergleichen.

Darüber hinaus wurde gefunden, daß die Oberfläche dieser Kunststoffwalzen zu weich ist und sich damit rasch abnutzt. Die relativ weiche Matrixoberfläche erschwert außerdem die Trennung des im Verfahren aufgebrachten Kunststoffes; die entstandene Kunststoff-Folie kann nur relativ langsam und vorsichtig abgezogen werden. Der Folienabzug bestimmt damit für den gesamten Prozeß die Geschwindigkeit und beeinflußt damit wesentlich die Herstellungskosten. Beobachtet wurde ferner, daß bei zu hoher Geschwindigkeit auch die Stege zwi­ schen den Walzenperforationen brechen können.

Weiterhin ist aus WO 94/29070 ein Verfahren bekannt, mit La­ serstrahlung eine geometrische Struktur in verschiedene Sub­ stanzen, wie Aluminium, Blei, Holz, Keramik, Glas, Kupfer oder Stahl, einzubringen. Die angeführte Schrift zeigt ver­ schieden Musterungen und die Möglichkeit, das Verfahren auf flache Substrate anzuwenden, beschreibt jedoch nicht, wie bei einer metallbeschichteten oder metallenen Walze eine Kavitä­ ten-Struktur in die Oberfläche in einfacher Weise eingebracht werden kann.

Ein weiteres gattungsgemäßes Verfahren ist der EP 0 701 877 A1 zu entnehmen. In dieser Schrift sind spezielle Laser- Bohrtechniken genannt, die jedoch als Grundsubstanz für die Matrix nur Acetal- und Acetyl-Kunststoffe nennen; eine Zylin­ der-Matrix aus Metall wird nicht offenbart.

Es stellt sich damit die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstel­ lung einer Kernzylinder-Matrix mit kapillarartigen Kavitäten anzugeben, bei der diese mit Laserstrahlen erzeugt werden können, ohne daß es zu unerwünschten Kunststoff-Abdampfungen kommt; bei Verwendung eines Kernzylinders aus Metall soll in einfacher Weise eine Zylinderform mit Kavitäten herstellbar sein.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem zur Herstellung einer mit Kavitäten besetzten Matrix ein Metall­ mantel galvanoplastisch als Metallablagerung auf einem Kern­ zylinder hergestellt wird, von dem Kernzylinder abgenommen wird und mit Hilfe der elektromagnetischen Strahlen hoher Leistungsdichte, insbesondere Laserstrahlen, mit den Kavitä­ ten versehen wird, die in Form von Sacklöchern oder durchge­ henden Bohrungen gebildet sind, und anschließend auf einem neuen Kernzylinder angeordnet wird.

Soll zusätzlich zu der Velour- oder Haar-Konfiguration noch eine Narbung, also eine Struktur geringerer Tiefe, vorgesehen werden, so wird vorgeschlagen, daß der Mantel vor dem Perfo­ rieren mit einer genarbten Struktur versehen wird.

Eine Vorrichtung zur Formung von Thermoplast-Halbzeugen mit einer velourartigen Oberfläche läßt sich gemäß Anspruch 3 be­ schreiben.

Um eine schnelle und bessere Durchdringung der Kapillaren mit thermoplastischer geschmolzener Masse zu erreichen, sind die durchgehenden Bohrungen des Kernzylinders mit einer unter­ druckerzeugenden Vorrichtung unterlegt.

Der Kernzylinder besitzt einen zentralen Hohlraum, der von einem Mantel aus gesintertem, luftdurchlässigem Material ge­ bildet ist, auf den der perforierte Metallmantel aufgelegt ist.

Die mit der Matrix ausgerüstete Vorrichtung kann auch direkt an die Austrittsdüse eines Extruders angeschlossen werden, aus dem ein Thermoplast in schmelzflüssigem Zustand ausbring­ bar ist. Hierbei wird insbesondere an eine Vorrichtung ge­ dacht, wie sie in der eingangs genannten Patentschrift DE 195 24 ­ 076 C1 beschrieben ist.

Die Kavitätendichte sollte zwischen 3600 und 16000 Kavitäten pro cm² liegen; die Kavitäten sollten einen Durchmesser zwi­ schen 10 µm und 100 µm aufweisen. Die Tiefe der Kavitäten richtet sich nach der Dicke des Kernmantels, wobei sich hier Dicken von 150 µm bis 500 µm als möglich und vorteilhaft er­ wiesen haben. Um die Masse schneller aus der Kavitätenhöhlung herauszuholen, wird vorgeschlagen, daß die Bohrungen inner­ halb des Metallmantels zur Außenseite hin im Durchmesser ver­ größern.

Weitere Eigenschaften und Vorteile werden anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen erläutert.

Die Figuren der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine flach gezeichnete Darstellung eines Zylin­ der-Bereichs,

Fig. 2 eine Herstellungsskizze eines Matrix-Zylinders,

Fig. 3 ein Anwendungsbeispiel einer Matrix in einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 in einem zweiten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 5 in einem dritten Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist ein flach gezeichnetes Mantelabschnitt 30 ver­ größert dargestellt, der mit Kavitäten 20 versehen ist. Der in Fig. 1 dargestellte Abschnitt besteht aus galvanopla­ stisch abgelagertem Eisen und ist mit zahlreichen kegel­ stumpfförmigen Bohrungen 20 versehen, die an der Oberseite einen Durchmesser von etwa 40 µm bis 60 µm und an der Unter­ seite 10 µm bis 20 µm Durchmesser haben. Die Bohrungen 20 werden mit Hilfe von Impulslasern durch einen fokussierten Laserstrahl hohler Leistungsdichte erzeugt. Das von dem La­ serstrahl getroffene Metall verdampft. Es wird durch einen Absaugrüssel, der unmittelbar über dem Austritt des Lasers angeordnet ist, sofort abgesaugt und kondensiert anschlie­ ßend. Die in Fig. 1 dargestellte Konfiguration geht aus von einer Kavitätendichte von 5000 Kavitäten pro cm². Hier sind weite Variationen möglich, entsprechend dem Durchmesser der einzelnen Kavität und der gewünschten Flordichte. Bis zu 1600 Kavitäten pro cm² lassen sich ohne weiteres einbringen.

Ein Walzenmantel, Bezugszahl 31, ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Hier wird auf einem Kern 33 in an sich bekannter Weise galvanoplastisch eine Metallablagerung aus Nickel mit einer Dicke von 150 µm hergestellt. Nach Beendigung der gal­ vanoplastischen Ablagerung wird der Kern mit einem Mantel 31 mit Hilfe eines Impulslasers 32 mit feinen durchgehenden Boh­ rungen 20 mit einem Durchmesser von 60 µm ± 10 µm mit einer Dichte von 10.000 Kavitäten pro cm² versehen. Anschließend wird der Kern 33 entnommen und der Mantel 31 abgezogen und auf einen neuen Walzenkern aufgezogen. Die sich hierbei erge­ bende Walze 4 ist in Fig. 4 dargestellt.

Innerhalb der Walze 4 ist ein Unterdruck einstellbar, der beispielsweise -0,5 bar beträgt. Oberhalb der Walze 4 sind zwei Extruderdüsen angebracht, so daß eine zweischichtige Fo­ lie durch Aufbringen auf die Matrix 25 herstellbar ist. Aus dem einen der beiden Extruderköpfe 1, 1' wird eine an der Oberseite liegende Schmelze 3', die aus einem zähen, mecha­ nisch belastbaren Polymer besteht und einen Schmelzindex von ca. 2 bis 3 und eine Dicke von 20 µm bis 50 µm aufweist, her­ ausgepreßt. Für die die Veloursschicht bildende Schicht wird eine weitere Schmelze 3 unter Verwendung eines Polymeren mit einem Schmelzindex von 18 bis 30 und einer Schichtdicke von 20 µm bis 60 µm gefahren. Die Oberfläche wird auf 130°C ge­ halten, so daß sich ein leichtes Fließen einstellt.

Durch die leicht kegelförmig nach innen konvergierenden Kavi­ täten 20 wird eine leicht wieder aus dem Mantel 31 heraus­ ziehbare Velourschicht mit Noppen oder Härchen geschaffen. Die Zwei-Schicht-Folie, deren eine Seite sehr gut oberflä­ chenverformbar ist und die durch die zähe Rückenschicht mit den für die Weiterverarbeitung erforderlichen Eigenschaften ausgestattet ist, wird mit Hilfe einer Andrückwalze 41 fest auf den Mantel 31 aufgedrückt. In einem Wasserbad 23 erfolgt eine weitere Abkühlung. Über die Abzugswalze 14 und das Wal­ zenpaar 15 erfolgt ein Abzug des Halbzeugs 9.

Gemäß Fig. 5 wird eine Matrixwalze 4 mit einer Matrix 25 der vorbeschriebenen Art verwendet, jedoch wir hier eine bereits von einem Extruder stammende Folie 39 auf den Zylinder mit Hilfe einer Andrückwalze 41 aufgedrückt. Über eine Heizung 40 wird das Folienmaterial auf ca. 125°C erhitzt, so daß es praktisch fließfähig wird. Mit weiteren Walzen 42, die auf einer Temperatur von 110°C gehalten werden, wird das Material fest in die Kavitäten eingedrückt, wobei zusätzlich durch Saugkanäle 34 innerhalb der Walze 4 durch die Kavitäten der Matrix hindurch das Material angesaugt wird. Nach Durchdrin­ gen der Kavitäten erfolgt eine Kühlung durch die Kühlaggrega­ te 43. Das thermoplastische Material kühlt ab und härtet aus und wird anschließend als Halbzeug über die Abzugswalze abge­ zogen.

Insbesondere mit einer Mehrschicht-Folie ergeben sich gut oberflächenverformbare Halbzeuge, die durch eine zähe Rücken­ schicht charakterisiert ist, aber andererseits durch das gute Fließverhalten der Weichschicht einen tiefen Veloursflor ent­ wickeln.

Ein Walzenmantel 5, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, ist Teil einer Hohlwalze 4, die einen Walzenzylinder 24 aus kerami­ schem Sintermaterial besitzt. Auf den Zylinder 24 wird der Walzenmantel 31 aufgebracht. Die Kavitäten 20 sind durchgän­ gig und enden oberhalb des luftdurchlässigen Sintermaterials. Zur Herstellung eines Polyethylen-Velourmaterials wird ein LLDP-Polymer mittleren Molekülgewichts mit einem Schmelzindex von -15 (2,16 kg/190°C) und einer Dichte von 0,94 verwendet. In einem Einschneckenextruder, schematisch mit der Bezugszahl 1 angedeutet, der eine Schneckenlänge größer als dem 20fachen Durchmesser mit einem Schneckendurchmesser von 90 mm hat, wird das Material aufgeschmolzen und homogenisiert. Die Kunststoff-Schmelze 3 gelangt durch einen entsprechenden Ka­ nal bis an die Extruder-Mündung 2.

Bei der Homogenisierung und Extrusion wird ein Kompressions­ verhältnis von 1 : 2,5 und eine Schneckentemperatur von 250°C gehalten. Die Polyethylen-Schmelze 3 wird unter konstantem Druck der Austragsdüse mit der Mündung 2 zugeführt.

Vor der Austragsdüse 2 in Drehrichtung der Walze 4 ist eine Vakuumkammer 6 mit der Öffnung 16 vorgesehen. Das in der Va­ kuumkammer vorhandene Vakuum breitet sich zur Walzenoberflä­ che aus. Zwar kann ein Teil des Vakuums sich ausgleichen durch die nachströmende Luft durch den Walzenzylinder 24, je­ doch ist zunächst zu beachten, daß die Kavitäten 20 gegenüber dem Außenluftdruck einen Unterdruck aufweisen.

Die Matrixwalze wird im Bereich der Matrixoberfläche auf ei­ ner Temperatur von 130°C gehalten. Hierzu sind nicht darge­ stellte Wärmeelemente vorgesehen. Der Unterdruck unmittelbar an der Extruder-Mündung 2 ist mit 0,2 bis 0,5 bar zu bemes­ sen. Wenn die Austrittsfront 17 der Thermoplast-Schmelze von den Kavitäten erreicht wird, füllen sie sich sofort durch den Walzenmantel hindurch mit Thermoplast und bilden gleichzeitig eine Rückenschicht auf dem Walzenmantel 5. Bei Weiterdrehen der Walze 5 kommt diese Schicht in eine Kühlzone mit zahlrei­ chen Luftdüsen 11, die mit einem Kühlgebläse verbunden sind. Nach Durchlaufen der ersten Luftkühlstrecke wird noch ein Wasserbad 23 nachgeschaltet, das die Folie nachhaltig kühlt. Nach Durchlaufen des Wasserbades 23 ist das Kunststoffmateri­ al an der Oberfläche liegend durch Abkühlung zum Erstarren gebracht, wobei es auf der mit der Walze in Kontakt gebrach­ ten Seite die der Matrix 25 entsprechende Oberflächenstruktur annimmt.

Kurz vor der Vakuumkammer 6 ist eine Abzugswalze 14 angeord­ net, die die Folie oder das Halbzeug aufnimmt und von der Walze 4 bzw. dem Walzenmantel abzieht. Das abgezogene Halb­ zeug 9 wird anschließend beispielsweise noch durch ein Paar Kühl- oder Prägewalzen 15 hindurchgezogen und anschließend auf einer Vorratsrolle spannungsarm aufgewickelt.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung einer mit kapillarartigen Kavitäten in hoher Dichte besetzten Matrix auf einer Ober­ fläche zur Formung von Thermoplast-Halbzeugen, bei dem mit Hilfe von elektromagnetischen Strahlen hoher Leistungs­ dichte, insbesondere Laserstrahlen, eine Matrix an Kavitäten in einem Feststoff-Substrat erzeugt wird, wobei das Substrat in Form eines offenen oder geschlossenen Mantels aus einem Metall hergestellt wird, der anschließend mit einer verform­ baren Thermoplastmasse in Kontakt zu bringen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Metallmantel galvanoplastisch als Me­ tallablagerung auf einem Kernzylinder hergestellt wird, von dem Kernzylinder abgenommen wird und mit Hilfe der elektroma­ gnetischen Strahlen hoher Leistungsdichte mit den Kavitäten versehen wird, die in Form von Sacklöchern oder durchgehenden Bohrungen gebildet sind, und anschließend auf einem neuen Kernzylinder angeordnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallmantel vor dem Perforieren mit einer genarbten Struktur versehen wird.

3. Vorrichtung zur Formung von Thermoplast-Halbzeugen mit einer velourartigen Oberfläche, umfassend einen gemäß Anspruch 1 hergestellten ummantelten Kernzylinder mit einer beheizbaren Außenfläche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernzylinder einen zentralen Hohlraum besitzt, der von einem Mantel aus gesintertem, luftdurchlässigem Material gebildet ist, auf den der perforierte Metallmantel aufgelegt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei durchgehenden Bohrungen im Metallmantel der Kernzy­ linder mit einer unterdruckerzeugenden Vorrichtung unterlegt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kernzylinder nahtlos geformt ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix eine Kavitätendichte von 3600 bis 16000 Kavitäten pro cm² aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Kavitäten zwischen 10 µm und 100 µm liegt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Durchmesser der Bohrun­ gen innerhalb des Metallmantels zur Außenseite hin vergrö­ ßert.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallmantel zwischen 150 µm und 500 µm dick ist.