DE3740483A1 - Verfahren und vorrichtung zum beschichten von materialbahnen mit einer offenen tiefenstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Durch die DE-AS 10 59 739 ist es bekannt, wärmeempfindliche Bänder beim Vakuumbeschichten auf einer mitlaufenden Kühlfo­ lie durch die Beschichtungzone laufen zu lassen und diese Kühlfolie ggf. mit den Bändern aufzuwickeln, um beispeils­ weise ein Verkleben der einzelnen Lagen der Bänder zu ver­ hindern. Dadurch ist eine zweiseitige Beschichtung aber nur auf dem Umweg über eine Trennung von Band und Kühlfolie mit nachfolgendem Wenden des Bandes möglich. Die bekannte Maß­ nahme ist jedoch nicht ausreichend, wenn es sich darum han­ delt, Bahnen mit einer offenen Tiefenstruktur wie Schaum­ stoffe, Vliese, Gewebe etc. mit einer relativ großen Menge des Beschichtungsmaterials pro Flächeneinheit zu beschich­ ten.

Beim Vakuumbeschichten durch ein physikalisches Abscheide­ verfahren wie Aufdampfen und Katodenzerstäuben wird das Sub­ strat (die Materialbahn) thermisch hoch belastet, und zwar durch die unvermeidliche Wärmestrahlung und durch die beim Abscheiden freiwerdende Kondensationswärme. Da im Va­ kuum die Kühlung durch Gase bzw. Umgebungsluft ausschei­ det, führt man das Substrat innerhalb der Beschichtungszone im allgemeinden über eine gekühlte Oberfläche, was auch in der DE-AS 10 59 739 angegeben ist. Diese Maßnahme ist aber nur dann erfolgversprechend, wenn das Substrat eine gute Wärmeleitfähigkeit und/oder eine geringe Dicke aufweist und glatt an der Kühlfläche anliegt, was bei dünnen Kunststoff­ folien noch einigermaßen zutrifft.

Ganz anders liegen die Verhältnisse bei Materialien mit einer offenen Tiefenstruktur, d.h. bei Schaumstoffen, Vlie­ sen, Geweben etc., die Poren, Hohlräume, vorstehende Ober­ flächenpartikel etc aufweisen, sich nicht glatt an Kühlflä­ chen anlegen lassen, in der Regel schlechte Wärmeleiter sind und eine verhältnismäßig große Dicke aufweisen. Das Be­ schichtungsmaterial kondensiert bevorzugt auf vorstehenden Partikeln der zerklüfteten Oberfläche und gibt dort zusätz­ lich zur Strahlungswärme seine Kondensationswärme ab. Eine Wärmeabfuhr zur Seite hin und über die Rückseite des Sub­ strats ist vernachlässigbar. Die Folge ist eine rasche Zer­ störung des Substrats, und zwar bereits bei geringen Nieder­ schlagsraten pro Flächeneinheit des Substrats. Noch sehr viel ungünstiger liegen die Verhältnisse, wenn die Material­ bahn gleichzeitig von beiden Seiten beschichtet wird, da sich in diesem Fall die Wärmebelastung verdoppelt und jegli­ che Kühlung in der Beschichtungszone unterbleiben muß.

Ein Versuch, die Materialmenge in mehrere Teilmengen zu unterteilen und diese nacheinander in mehreren Durchgängen auf die Materialbahn aufzubringen, führte allein gleichfalls nicht zum Erfolg, da der Wickel der Materialbahn einen idea­ len Wärmespeicher darstellt, so daß die Substrattemperatur bei jedem Durchgang kumulativ anstieg und das Substrat beim zweiten, spätestens aber beim dritten Durchgang zerstört wurde.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Be­ schichtungsverfahren und eine Beschichtungsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit denen auch Materi­ albahnen mit einer offenen Tiefenstruktur ohne thermische Schädigung beschichtet werden können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß bei dem eingangs beschriebenen Verfahren durch die im Kenn­ zeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen, bei der eingangs beschriebenen Vorrichtung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 5 angegebenen Merkmale.

Durch das Hin- und Herlaufen der Materialbahn, gewissermaßen im Pendelbetrieb, verbunden mit dem jedesmaligen Einwickeln der erneut rückgekühlten Kühlfolie, Einstellen einer "Misch­ temperatur" zwischen Materialbahn und Kühlfolie, Herauswic­ keln der erwärmten Kühlfolie und den Transport der Wärme mittels der Kühlfolie an einen Wärmeüberträger unterbleibt die Kumulation der Wärme in der Materialbahn und im Wickel, so daß die insgesamt aufzubringende Materialmenge auf eine entsprechende Anzahl von Teilmengen pro Flächeneinheit auf­ geteilt, und die Zahl der Durchläufe bzw. Beschichtungsvor­ gänge bei entsprechend verringerter Temperatursteigerung pro Einzeldurchlauf praktisch beliebig erhöht werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die Ma­ terialbahn in beiden Laufrichtungen, ja sogar gleichzeitig auf beiden Seiten ohne unzulässige Temperaturerhöhung zu be­ schichten, wodurch die Kapazität der Vorrichtung und damit die Wirtschaftlichkeit entsprechend erhöht wird.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und das darin ausgeübte Verfahren werden nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert, die einen Vertikal­ schnitt durch die Vorrichtung zeigt:

In einer zylindrischen Vakuumkammer 1 befinden sich zwei Rollen 2 und 3, die je nach Laufrichtung der Materialbahn 4 alternierend als Abwickel- und Aufwickelrollen dienen. Der größere Wickel befindet sich in dem dargestellten Augenblick auf der linken, ersten Rolle 2 (Abwickelrolle), während die zweite Rolle 3 als Aufwickelrolle dient. Zwischen diesen beiden Rollen liegt der Laufweg der Materialbahn 4. Da sich der Wickeldurchmesser beider Wickel laufend ändert, wird ein frei ausgespannter waagrechter Teilabschnitt 4 a der Materi­ albahn durch zwei Umlenkwalzen 5 und 6 räumlich festgelegt. In diesem Teilabschnitt 4 a liegt die Beschichtungszone 7, die durch zwei Beschichtungsquellen 8 und 9 gebildet wird, die als an sich bekannte Magnetronkatoden ausgeführt sind, deren Zerstäubungsflächen 8 a und 9 a einander zugekehrt und spiegelsymmetrisch zum Teilabschnitt 4 a angeordnet sind.

Unterhalb der Rollen 2 und 3 befinden sich zwei Kühleinrich­ tungen 10 und 11, die als drehbare Kühlwalzen ausgeführt sind und denen je eine Speicherrolle 12 bzw. 13 zugeordnet ist. Die Kühlwalzen werden durch einen Flüssigkeitsumlauf auf Temperaturen von -20°C gehalten. Die Wickel auf den Rollen 2 und 3 bestehen aus abwechselnden Lagen der Materi­ albahn und je einer Kühlfolie 14 bzw. 15.

Aus dem Wickel der Rolle 2 wird die Kühlfolie 14 mit glei­ cher Laufgeschwindigkeit wie die Materialbahn 4 herausgewic­ kelt und auf der Speicherrolle 12 aufgewickelt, nachdem sie über den Umfang der Kühleinrichtung 10 geführt wurde. Der Umschlingungswinkel auf der Kühlwalze wird durch zwei Um­ lenkwalzen 16 und 17 größtmöglich gehalten.

Von der Speicherrolle 13 wird die weitere Kühlfolie 15 abge­ wickelt und über die analoge Kühleinrichtung 11 geführt, der zwei Umlenkwalzen 18 und 19 zugeordnet sind. Von der Umlenk­ walze 18 verläuft die Kühlfolie 15 mit gleicher Geschwindig­ keit wie die Materialbahn in den Spalt zwischen dem frei laufenden Abschnitt 4 b der Materialbahn 4 und dem bereits gebildeten Wickel der Rolle 3, so daß auf dieser der gleiche Wickel aus Materialbahn und Kühlfolie gebildet wird wie auf der Rolle 2. Der Umwickelvorgang wird fortgesetzt, bis sich praktisch die gesamten Längen der Materialbahn 4 auf der Rolle 3 und der Kühlfolie 14 auf der Speicherrolle 12 befin­ den.

In diesem Augenblick befindet sich praktisch die gesamte Länge der Kühlfolie 15 innerhalb des Wickels auf der Rolle 3. Die Wärmezufuhr zur Materialbahn erfolgte zuvor konti­ nuierlich in der Beschichtungszone 7 durch die gleichzeitig wirkenden Beschichtungsquellen 8 und 9, und auf der Rolle 3 stellt sich eine Mischtemperatur zwischen den Temperaturen der Materialbahn und der Kühlfolie 15 nach Maßgabe der Dic­ kenverhältnisse und der spezifischen Wärme der Materialien ein.

Im Anschluß daran wird durch entsprechende Reversierantriebe die Laufrichtung der Materialbahn 4 und der Kühlfolien 14 und 15 umgekehrt: Die erwärmte Kühlfolie 15 läuft unter Ab­ gabe ihrer Wärme an die Kühlwalze 11 über diese auf die Speicherrolle 13 auf und wird hier für den nächsten Durch­ lauf festgehalten. Gleichzeitig läuft die Kühlfolie 14 von der Umlenkrolle 17 in den Spalt zwischen der Materialbahn 4 und den bereits gebildeten Wickel auf der Rolle 2 ein, so daß auch hier eine alternierenden Folge einzelner Lagen von Materialbahn und Kühlfolie gebildet wird und sich eine ent­ sprechende Mischtemperatur einstellt. Der gesamte Vorgang läuft in umgekehrter Richtung ab, bis sich praktisch die ge­ samten Längen der Materialbahn 4 und der Kühlfolie 14 auf der Rolle 2 befinden.

Dieser Pendelvorgang kann beliebig oft wiederholt werden, bis sich die vorgegebene Menge an Beschichtungsmaterial (beispielsweise ein Metall oder eine Legierung) pro Flä­ cheneinheit auf der Materialbahn befindet. Als Material für die Kühlfolie kann Metall oder Kunststoff (Polyester, Poly­ äthylen, Polypropylen etc.) mit möglichst hoher Wärmespei­ cherkapazität verwendet werden.

Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel):

In einer Vorrichtung nach der Figur, jedoch ohne Kühlfolien, wurden 250 Meter einer anfangs auf Raumtemperatur befindli­ chen, 100 cm breiten und 2 mm dicken Materialbahn aus einem feinen, offenporigen Kunststoffschaumstoff bei einer Laufge­ schwindigkeit von 25 m/min umgewickelt und beidseitig mit einem Metall mit einer Schmelztemperatur von über 1500°C be­ schichtet. Die Beschichtungsrate wurde so gewählt, daß sich bei der angebenen Laufgeschwindigkeit bzw. Verweilzeit eine Temperatur der Materialbahn von 120°C auf der Rolle 3 ein­ stellte. Der Versuch einer Laufrichtungsumkehr mußte wegen Zerstörung der Materialbahn beim zweiten Beschichtungsvor­ gang sofort abgebrochen werden.

Beispiel 2

Der Versuch nach Beispiel 1 wurde wiederholt, diesmal jedoch mit den beiden Kühlfolien 14 und 15. Die eine gleiche Länge und Breite wie die Materialbahn aufweisenden Kühlfolien be­ standen aus einem thermoplastischen Kunstoff mit einer Dicke von 0,2 mm und besaßen nach dem Verlassen der Kühlwalzen eine Temperatur von etwa -10°C. Daraus ergab sich auf der Rolle 3 eine "Mischtemperatur" von ca. 30°C nach dem ersten Durchgang. Nach der Laufrichtungsumkehr und dem zweiten Be­ schichtungsvorgang stellte sich vor der Vereinigung mit der Kühlfolie eine Temperatur der Materialbahn von 125°C ein, auf der Rolle 2 eine Mischtemperatur von ca. 32°C. Es wurden im Pendelbetrieb insgesamt 8 Durchläufe mit einer Dauer von jeweils 10 Minuten gefahren, bis die erforderliche Metall­ menge beidseitig und bei jedem Durchgang auf der Material­ bahn niedergeschlagen war, ohne daß die Materialbahn hierbei eine unzulässig hohe Temperatur angenommen hätte.

Claims (9)

1. Verfahren zum Beschichten von eine offene Tiefenstruktur aufweisenden Materialbahnen mit einer vorgegebenen Menge pro Flächeneinheit eines Beschichtungsmaterials im Vakuum durch Umwickeln der Materialbahn von einer ersten Rolle auf eine zweite Rolle und Hindurchführen der Materialbahn durch eine Beschichtungszone mit einer Quelle des Be­ schichtungsmaterials unter Einwickeln einer Kühlfolie in den im Aufbau befindlichen Wickel, dadurch gekennzeich­ net, daß die Materialbahn unter jedesmaliger Umkehrung der Laufrichtung mehrfach zwischen den beiden Rollen hin und her geführt und dabei jeweils mit einer Teilmenge des Beschichtungsmaterials beschichtet wird, und daß die Kühlfolie aus dem jeweils im Abbau befindlichen Wickel herausgenommen, nach einer Zwangskühlung vorübergehend auf einer Speicherrolle aufgenommen und nach einer Umkeh­ rung der Laufrichtung wieder von der Speicherrole abge­ wickelt und erneut in den im Aufbau befindlichen Wickel eingewickelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbahn in beiden Laufrichtungen beschichtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbahn beim gleichen Durchgang beidseitig beschichtet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Laufrichtungen voneinander getrennte Kühlfolien in den jeweils im Aufbau befindlichen Wickel eingewickelt werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Vakuumkammer, zwei Rollen (2, 3) für das Ab- und Aufwickeln des Bahnmaterials (4), mindestens einer im Laufweg des Bahnmaterials zwischen den Rollen angeordne­ ten Beschichtungsquelle (8, 9) und mit mindestens einer Speicherrolle (12, 13) mit einer Kühlfolie (14, 15), dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rollen (2, 3) mit einem Reversierantrieb versehen sind und daß der Speicherrolle (12 bzw. 13) eine Kühleinrichtung (10 bzw. 11) für die Rückkühlung der Kühlfolie (14 bzw. 15) zugeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherrolle (12, 13) mit einem Reversierantrieb ver­ bunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Laufweg der Kühlfolie (14 bzw. 15) zur Speicherrolle (12 bzw. 13) eine Kühlwalze (10 bzw. 11) angeordnet ist, über die die Kühlfolie geführt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbahn (4) in der Beschichtungszone (7) frei ausgespannt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits der Beschichtungszone (7) zwei Speicherrollen (12, 13) und zwei Kühlwalzen (10, 11) angeordnet sind.