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Diese
Erfindung betrifft das Aufbringen einer Pulverbeschichtung auf ein
Substrat, insbesondere auf ein wärmeempfindliches
Substrat wie Holz und insbesondere Holzfaserplatten, und Schmelzen
oder Schmelzen/Härten
des aufgebrachten Beschichtungspulvers zur Bildung einer kontinuierlichen
Beschichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung das Verringern
der Rissbildung und anderer Makel von Beschichtungspulver-abgeleiteten
Beschichtungen. Besondere Aufmerksamkeit gilt dem Verringern hinsichtlich
dem Versagen oder dem Verringern von Fehlern in Beschichtungen an
Kanten oder Ecken von Werkstücken,
obwohl die Erfindung allgemein das Verringern des Versagens und
der Fehler über die
gesamte Beschichtung betrifft.
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Hintergrund
der Erfindung
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Pulverbeschichtungen,
die bei Raumtemperatur trockene, fein verteilte, frei fließende, feste
Materialien sind, haben in den letzten Jahren gegenüber flüssigen Beschichtungen
aus mehreren Gründen beachtliche
Popularität
gewonnen. Zum Einen sind Pulverbeschichtungen anwender- und umweltfreundliche
Materialien, da sie praktisch frei von schädlichen flüchtigen organischen Lösungsmittelträgern sind,
die normalerweise in Flüssigbeschichtungen vorhanden
sind. Pulverbeschichtungen geben daher wenig, falls überhaupt,
flüchtige
Materialien an die Umgebung ab, wenn sie ausgehärtet sind. Hierdurch werden
Probleme, die mit der Freisetzung von Lösungsmittel in Zusammenhang
stehen, wie sie bei Flüssigbeschichtungen
auftreten, wie z.B. Luftverschmutzung und Gefahren für die Gesundheit
des in Beschichtungsanwendungen involvierten Arbeiters, eliminiert.
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Pulverbeschichtungen
sind auch im Einsatz sauber und gut handlich. Sie werden in sauberer Weise über dem
Substrat aufgetragen, da sie in trockener, fester Form vorliegen.
Die Pulver werden im Falle eines Verschüttens einfach zusammengefegt und
bedürfen
keines speziellen Reinigens und keiner Eindämmungsmaßnahmen beim Verschütten, wie
es für
Flüssigbeschichtungen
nötig ist.
Die Arbeitshygiene wird damit verbessert. Es werden keine verschmutzten
Flüssigkeiten
eingesetzt, die an der Kleidung des Arbeiters und an der Beschichtungsausrüstung haften
bleiben, was zu erhöhter
Maschinenausfallzeit und Reinigungskosten führt.
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Pulverbeschichtungen
sind im Wesentlichen 100 %-ig recyclebar. Zuviel aufgesprühtes Pulver kann
vollständig
zurückgewonnen
und der Pulverzuführung
wieder rückgeführt werden.
Dies gewährleistet
sehr hohe Beschichtungswirkungsgrade und reduziert auch wesentlich
die Menge an erzeugtem Abfall. Flüssigbeschichtungen werden während der
Aufbringung nicht recycelt, was zu vermehrtem Abfall und erhöhten Kosten
bei der Entsorgung von gefährlichem
Abfall führt.
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In
der Vergangenheit wurden die meisten Pulverbeschichtungen auf Metallen
durchgeführt,
die hohen Temperaturen, bei denen viele herkömmliche Beschichtungspulver
schmelzen und härten,
standhalten können.
In jüngerer
Zeit sind jedoch mehrere Beschichtungspulver für Substrate wie Holz, Holzfaserplatten,
bestimmte Kunststoffe, etc. entwickelt worden, die auf Beschichtungspulver
angewiesen sind, die bei relativ niedrigen Temperaturen schmelzen
(im Falle von thermoplastischen Beschichtungspulvern) oder schmelzen
und härten
(im Falle von härtbaren
Beschichtungspulvern). Beispiele für derartige Beschichtungspulver
sind z. B. in den US-Patent Nrn. 5,824,373, 5,714,206, 5,721,052
und 5,731,043 zu finden. Niedrigtemperaturbeschichtungen verhindern
das Verkohlen des Substrats und helfen, überschüssiges Entgasen von Feuchtigkeit
zu verhindern.
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Ein
häufig
auftretendes Problem bei der Beschichtung von Niedrigtemperatursubstraten
wie Holz mit Beschichtungspulver ist die Ungleichmäßigkeit
der Beschichtung in Bereichen des Substrats, die schwierig zu beschichten
sind, wie z.B. die Kanten und Ecken von Küchenschranktüren. Ein
häufig
beobachteter Mangel an Kanten, Ecken und anderen Oberflächendiskontinuitäten ist
die Rissbildung. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, könnte dieses
Aufspringen an Kanten, Ecken, etc. das Ergebnis unterschiedlicher
Wärmeausdehnung und
-kontraktion des Substrats und der schmelzenden (im Falle von thermoplastischen
Beschichtungspulvern), und schmelzenden und härtenden (im Falle von härtbaren
Beschichtungspulvern) Beschichtungen sein. Beschichtungspulver für wärmeempfindliche
Substrate wie z.B. Holz werden typischerweise bei Temperaturen zwischen
ungefähr
93 und ungefähr
177°C (zwischen
ungefähr
200 und ungefähr 350°F) und Beschichtungspulver
für andere
Substrate werden bei Temperaturen bis zu ungefähr 449°C (450°F) geschmolzen und gehärtet. Aus
Pulverbeschichtungen erzeugte Beschichtungen sind des weiteren anfällig für die Rissbildung
an Kanten und Ecken, da solche Beschichtungen relativ dick sind, typischerweise
liegt die Dicke zwischen 75 und 250 Mikrometer (bzw. zwischen 3
und 10 mil).
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Es
ist daher eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die
Rissbildung von Beschichtungen, die auf Beschichtungspulver zurückgehen,
insbesondere an Oberflächendiskontinuitäten, zu
verringern.
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Cellulosesubstrate
wie Holz, Holzfaserplatten, etc. enthalten im Allgemeinen etwas
Feuchtigkeit, z. B. zwischen ungefähr 3 und ungefähr 10 Gew.-%.
Diese Feuchtigkeit ist für
das elektrostatische Auftragen von Beschichtungspulver insofern vorteilhaft,
da sie ermöglicht,
dass das ansonsten nicht-leitfähige
Material ausreichend elektrische Ladung für das wirksame elektrostatische
Auftragen der Beschichtungspulver zusammenhält. Die Feuchtigkeit ist aber
auch insofern nachteilig, dass Entgasung von Feuchtigkeit sowie
Entgasung anderer flüchtiger Stoffe
während
des Schmelzens oder Schmelzens/Härtens
zu Fehlern wie beispielsweise Kratern oder Bläschen in der Beschichtung führen kann.
In einem Holzsubstrat von allgemein gleichmäßiger Dichte und Zusammensetzung
kann das Entgasen relativ gleichmäßig über die gesamten Oberflächen und Kanten
verteilt sein. In mittel- bis hochdichten Faserplatten, die in Oberflächenbereichen
dichter sind als in den Innenbereichen, ist das Entgasen besonders an
den bearbeiteten Kanten problematisch, da der weniger dichte, innere
Kernbereich einen seitlichen Weg für entgasende flüchtige Verbindungen
liefert.
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Es
ist daher eine weitere Aufgabe der Erfindung, Defekte in Substraten,
die Wasser und andere flüchtige
Chemikalien, die während
des Schmelzens oder Schmelzens/Härtens
des Beschichtungspulvers entgasen können, zu reduzieren.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung werden Substrate mit Kanten, Ecken, Profilen oder
anderen Diskontinuitäten
als sichtbare vordere Seite (front appearance side) auf eine nicht-sichtbare hintere
Seite (rear non-appearance side) benachbart zu den Kanten, Ecken
und anderen Diskontinuitäten der
vorderen Oberfläche
eingekerbt bzw. gerillt, z. B. geführt oder gebohrt. Das Beschichtungspulver
wird auf die sichtbare, vordere Seite einschließlich der Kanten, Ecken und
anderen Diskontinuitäten
der Oberfläche
aufgebracht. Das Einkerben in der Rückseite dient der Reduzierung
der Rissbildung der geschmolzenen oder geschmolzenen und gehärteten Beschichtung.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung werden Substrate, die Feuchtigkeit und/oder andere
flüchtige
Verbindungen enthalten, auf einer nicht-sichtbaren Seite des Substrats
ausreichend bearbeitet, um genügend
Wege für
das Entgasen an der nicht-sichtbaren Seite bereitzustellen, so dass
durch das Entgasen verursachte Defekte in der Beschichtung auf der
sichtbaren Seite minimiert oder eliminiert werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Draufsicht einer vorderen oder sichtbaren Oberfläche eines
Substrats, wie sie beispielsweise als Küchenschranktür dienen
könnte.
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2 ist
eine hintere oder nicht-sichtbare Oberfläche des Substrats von 1.
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3 ist
eine Querschnittsansicht des Substrats entlang der Linie 3-3 von 1.
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4 ist
eine Querschnittsansicht eines Faserplattenwerkstückes, das
als dreischichtige Struktur gebildet und gemäß der Erfindung bearbeitet
wurde.
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5 ist
eine Draufsicht der hinteren oder nicht-sichtbaren Oberfläche eines
Werkstücks,
das auf eine alternative Weise gemäß der Erfindung bearbeitet
wurde.
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6 ist
eine Draufsicht der hinteren oder nicht-sichtbaren Oberfläche eines
konturierten Werkstückes,
in welchem eine konturierte Kerbe entlang der konturierten Kanten
des Werkstückes
gebildet wird.
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7 ist
eine Draufsicht der hinteren oder nicht-sichtbaren Oberfläche eines
Holzwerkstücks, die
gemäß der Erfindung
in einer Weise bearbeitet ist, dass das Entgasen zur vorderen oder
sichtbaren Oberfläche
des Werkstückes
verringert ist.
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Detaillierte
Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung ist besonders auf Substraten anwendbar, die
als eine „sichtbare
Seite" (appearance
side) und eine nicht-sichtbare Seite (non appearance side) aufweisend
angesehen werden könnten
und die auf der sichtbaren Seite einschließlich Kanten, Ecken und anderen
Oberflächendiskontinuitäten zu beschichten
sind. Viele Substrate fallen unter diese Beschreibung. Zum Beispiel
Faserplatten für
Küchenschranktüren oder
günstige
Möbel haben
typischerweise eine Außenfläche, die
für das Design
beschichtet werden muss und eine Innenfläche, bei der das Design bedeutend
weniger entscheidend ist. In anderen Werkstücken, wie z.B. Bodenformteilen
ist eine nicht-sichtbare Seite vollständig bedeckt, wenn sich der
Gegenstand an seiner Stelle befindet. Obwohl die vorliegende Erfindung
beträchtliches,
nichtfunktionelles Bearbeiten (bei dem es sich nicht um die Spannungsabbau-
und Entgasungsabbaufunktionen der vorliegenden Erfindung handelt) beinhaltet,
bedeutet dies nicht, dass das mechanische Bearbeiten die nicht-sichtbare
Seite des Werkstückes
beeinträchtigen
muss und kann sogar so gestaltet sein, dass der Eindruck entsteht,
dass es sich um ein beabsichtigtes ästhetisches Design handelt.
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Die
Erfindung betrifft allgemein jedes Substrat mit Kanten, Ecken oder
anderen Oberflächendiskontinuitäten. Die
Erfindung betrifft speziell wärmeempfindliche
Substrate wie bestimmte Kunststoffe und Lignocellulosesubstrate
bzw. Holzfasersubstrate. Lignocellulosematerial soll im Rahmen dieser
Erfindung faserartiges Material einschließen, sei es solches das von
Bäumen
oder anderen Pflanzen stammt oder solches Material, das in seinem
natürlichen
Zustand vorliegt oder dessen Fasern, die abgetrennt, gefilzt und/oder
komprimiert wurden. Das Lignocellulosematerial schließt daher
neben Holz auch Hartfaserplatten, Faserplatten von mittlerer und
hoher Dichte, Spanplatten, gereckte Faserbündelplatten, und Papier ein.
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Bezüglich Papier
kann die Erfindung nicht direkt auf das Papier selbst aufgetragen
werden, sondern sie kann auf Papier-beschichtete Substrate aufgetragen
werden.
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Die
Erfindung betrifft alle Arten von Beschichtungspulver, ungeachtet
der Harzchemie. Die Erfindung betrifft thermoplastische Beschichtungspulver,
die z. B. elektrostatisch auf ein Substrat aufgebracht und dann
erwärmt,
um das Pulver zu einer gleichmäßigen kontinuierlichen
Schicht zu schmelzen, und gehärtet
werden. Die Erfindung betrifft auch härtbare Beschichtungspulver,
die auf ein Substrat z. B. elektrostatisch aufgebracht werden, und
die anschließend
erhitzt, um das Beschichtungspulver zu einer kontinuierlichen Schicht
zu schmelzen, und ausgehärtet
werden. Das Härten
kann durch Wärme bzw.
Hitze, UV-Licht oder durch eine Kombination von Wärme und
UV-Licht erfolgen.
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In
den 1 – 3 ist
ein Substrat 1 dargestellt, das aus Holz oder Faserplatte
gebildet sein kann und welches als Tür für einen Küchenschrank dienen kann. Für derartige
Substrate gilt, dass gegenwärtig
großes
Interesse besteht, auf diese Substrate Pulverbeschichtungen aufzubringen.
Das gezeigte Substrat 1 ist rechteckig mit Kanten 2 und Ecken 3.
Das gezeigte Substrat 1 wird auch mit einem Rillendesign 4 (grooved
design) mit einer Außenkante 5 und
einer Innenkante 6 gezeigt. Die in 1 gezeigte
vordere Oberfläche 7 wird
als sichtbare Oberfläche
angesehen, während
die in 2 gezeigte hintere Oberfläche 8 als nicht-sichtbare Oberfläche angesehen
wird. Die Beschichtung soll auf die vordere Oberfläche 7,
einschließlich
der Kanten 2, Ecken 3 und Oberflächen 9 (3)
aufgetragen werden. Beim Beschichten von Substraten findet häufig eine
Rissbildung an Diskontinuitäten
in der Oberfläche
wie den Kanten 2, Ecken 3 und den Kanten 5 und 6 entlang
des Rillendesigns statt.
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Gemäß der Erfindung
werden in der hinteren oder nicht-sichtbaren Oberfläche 8 des
Substrats 1 Rillen bereitgestellt, die sich entlang der
Oberflächendiskontinuitäten des
Substrats erstrecken, einschließlich
einer rechteckigen Rille 10 entlang den Kanten des Substrats,
einer rechteckigen Rille 11 benachbart zu der Außenkante 5 des
Designs 4 und einer rechteckigen Rille 12 benachbart
zu der Innenkante 6 des Designs 4. Derartige Rillen 10, 11 und 12 können durch
einen Plattenfräsapparat
oder durch einen Sägenschnitt
oder durch jede andere geeignete Methode zur mechanischen Bearbeitung
eines Substrats erzeugt werden. Ohne an eine Theorie gebunden sein
zu wollen wird angenommen, dass die Rissbildung an den Oberflächendiskontinuitäten ein Resultat
der durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
erzeugten Spannung zwischen der Beschichtung und dem Substrat ist.
Dies bedeutet, dass wenn die Beschichtung von ihrer Schmelz- oder
Schmelz/Aushärtungstemperatur
abkühlt,
die unterschiedliche Kontraktion der Beschichtung und des Substrats
zu Rissen an den Kanten und Ecken führt. Es wurde jetzt im Rahmen
dieser Erfindung gefunden, dass die Rillen 10, 11 und 12 die
Rissbildung an den Ecken, Kanten und anderen Oberflächendiskontinuitäten verringern
oder eliminieren, vermutlich durch Spannungsabbau.
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Die
Rillen 10, 11 und 12 müssten, um
den Spannungsabbau bewirken zu können,
in einem seitlichen Abstand X von den Oberflächendiskontinuitäten angeordnet
sein, wobei dieser Abstand relativ gering ist. Dieser Abstand X
wird von der Beschaffenheit des Substrats z. B. der Stärke und
Flexibilität
des Substrats abhängen,
wird aber in Cellulosematerialien im Allgemeinen zwischen ungefähr 1 und
ungefähr
25 cm, typischerweise zwischen ungefähr 2 und ungefähr 10 cm
betragen. Natürlich
darf der Abstand X nicht so klein sein, dass die strukturelle Integrität des Substrats
beeinträchtigt
wird.
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In
der Praxis werden der Abstand X sowie andere Bearbeitungsparameter
wie z.B. die Tiefe der Bearbeitung, das Ausmaß der Bearbeitung, etc. von einer
Reihe von Faktoren abhängen,
wie z.B. der Beschaffenheit des Substrats, dem Feuchtigkeitsgehalt des
Substrats, der Substratdichte, dem Substratdichteprofil, der An
und Zusammensetzung des Beschichtungspulvers, Verarbeitungsparametern
wie Temperatur und Schmelzzeit bzw. Schmelz/Aushärtzeit, etc. Das Bearbeiten
gemäß der Erfindung
auf einer nicht-sichtbaren Oberfläche zwecks Spannungsabbau oder
um das Entgasen aus der nicht-sichtbaren Oberfläche zu erleichtern, muss von
der mehr minimalen funktionellen Bearbeitung, die typischerweise
bei der Herstellung eines Werkstücks
umfasst ist, unterschieden werden. Ein Werkstück wird typischerweise für das nachträgliche Anbringen
von Befestigungsmitteln wie Schrauben, Nägeln, Scharnieren, etc. maschinell
bearbeitet, wobei dieses funktionelle maschinelle Bearbeiten im
Allgemeinen aber nicht gleichmäßig über das
Werkstück
verteilt ist und für den
Spannungsabbau und das Entgasen gemäß der Erfindung im Allgemeinen
unzureichend ist. Unter „maschinelles
Bearbeiten" ist
im Rahmen dieser Erfindung maschinelles Bearbeiten im Wesentlichen weit über das
Ausmaß von
dem gemeint, das für funktionelle
Zwecke erforderlich ist. Der Grad der „maschinellen Bearbeitung" und die Stellen
der „maschinellen
Bearbeitung", die
für die
Zwecke der vorliegenden Erfindung erforderlich sind, werden im Allgemeinen
empirisch ermittelt. Zum Beispiel wird, wenn beim Pulverbeschichten
eines Werkstücks
Defekte an den Ecken oder Kanten bemerkt werden, die maschinelle
Bearbeitung gemäß der Erfindung
in der nicht-sichtbaren Oberfläche
durchgeführt
werden, um so die Spannung abzuschwächen oder Entgasungswege in
der nicht-sichtbaren Oberfläche
des Werkstücks
bereitzustellen.
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Einige
besondere Probleme mit bestimmten Substraten sind zu erwähnen. Faserplatten
von hoher oder mittlerer Dichte sind im Allgemeinen in der Nähe der Oberflächen wesentlich
dichter als in den Innenbereichen. Ein derartiges Dichteprofil wird
natürlicherweise
in Faserplatten auftreten, die durch Komprimieren einer Faserzusammensetzung
geformt werden. Diese Verteilung wird jedoch im Allgemeinen durch
ein Design verstärkt.
Typischerweise werden in der Herstellung vorgepresster Fasern drei Faserschichten
bereitgestellt, um die Außenschichten
mehr zu verdichten als die Innenschicht, wodurch eine Oberflächenfestigkeit
erzeugt wird, und gleichzeitig das Gewicht im Kern verringert wird.
Wenn solche Faserplatten zu Werkstücken, wie z. B. Küchenschranktüren geschnitten
werden, wird die weniger dichte Kernschicht beansprucht werden.
In solchen Stücken
können
die dichten Oberflächenschichten eine
beträchtliche
Barriere gegenüber
dem Entgasen darstellen, was dazu führt, dass flüchtige Substanzen dazu
neigen, durch einen Seitenweg zu den maschinell bearbeiteten Kanten
des Werkstücks
zu wandern, was bedeutsame Entgasungsprobleme an den Kanten verursacht.
Dementsprechend wird das Bearbeiten eines solchen Werkstücks an seiner
nichtsichtbaren Oberfläche
eng benachbart zu der Kante, wie in den 1 – 3,
nicht nur einen Spannungsabbau unterstützen, sondern wird auch Erleichterung beim
Entgasen mit sich bringen. In Faserplatten mit dichteren Oberflächenbereichen
und einer weniger dichten Kernschicht ist es erforderlich, eine
Bearbeitung mindestens durch die dichte Oberflächenschicht an der nicht-sichtbaren
Oberfläche
des Werkstücks zu
erzeugen. In einer bewusst als dreischichtiger Verbundstoff geformten
Faserplatte wird dies durch die dichte Oberflächenschicht der nicht-sichtbaren
Oberfläche
erfolgen. In 4 ist ein Querschnitt eines Holzfaserplattenwerkstücks 40 veranschaulicht,
das aus einem dreischichtigen Verbundstoff mit dichten Außenschichten 41 und
einer weniger dichten Innenschicht 42 gebildet ist. Rillen 43 werden
von einer nicht-sichtbaren Oberfläche 44 der Platte
bis zu einer Tiefe, die sich durch die dichte Außenschicht 41 auf der
nicht-sichtbaren Oberfläche
erstreckt, geformt. In einer Faserplatte, in der ein Dichtegradient
lediglich aufgrund des Verdichtungsprozesses gebildet wird, ist
es im Allgemeinen ausreichend, maschinell bis zu einer Tiefe zu
bearbeiten, bei der die Dichte 80 % oder weniger der Dichte der
Oberfläche
beträgt.
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Während die 1 – 3 kontinuierliche Rillen
zeigen, die benachbart zu Oberflächendiskontinuitäten gebildet
wurden, kann weiteres maschinelles Bearbeiten dem gleichen Zweck
dienen. In 5 ist eine nicht-sichtbare Oberfläche 51 eines
Werkstücks 50 mit
einem Muster von Aussparungen 52, die entlang der Kante
des Werkstücks
gebohrt wurden, dargestellt.
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In 6 ist
die nicht-sichtbare Oberfläche
eines „nierenförmigen" Werkstücks 60,
das als Tischplatte fungieren kann, dargestellt. Eine „nierenförmige" Rille 61 wird
in der nichtsichtbaren Oberfläche 62 des
Werkstücks
zwecks Spannungsabbau und/oder zur Förderung der Entgasung gebildet.
Ein solches konturiertes Werkstück
wird typischerweise mit einer computergesteuerten Säge geschnitten.
Die gleiche Computerführung
kann eingesetzt werden, um einen Plattenfräsapparat dicht neben den Kantenkonturen des
Werkstücks
zur Bildung der Rille 61 zu führen.
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Ein
Holzsubstrat kann ein anderes Problem als ein Faserplattensubstrat
darstellen. Holz hat im Gegensatz zu Faserplatten von hoher oder
mittlerer Dichte eine Oberflächendichte,
die gering genug ist, um flüchtige
Verbindungen über
die gesamte Oberfläche,
im Allgemeinen entlang des Maserungsmusters zu entgasen. In 7 ist
die nicht-sichtbare Oberfläche 71 eines
Holzwerkstücks 70 veranschaulicht,
das für
ein Bodenformteil eingesetzt werden könnte. In dieses Werkstück wird
eine Anordnung von Aussparungen 72 in die gesamte nicht-sichtbare Oberfläche des
Werkstücks
gebohrt, um das Ausgasen zu erleichtern. Eine derartige Anordnung
von kreisförmigen
Aussparungen könnte
gleichzeitig unter Einsatz einer Anordnung von Bohrern geformt werden.
Es kann sogar in einigen Fällen
nützlich sein,
eine nicht-sichtbare Form von Faserplatten mit einer Anordnung von
Löchern
zu perforieren, bevor die Platte zu ihrer Form zugeschnitten wird.
Die Perforationen, die das Entgasen auf einer nicht-sichtbaren Seite
erlauben sollen, brauchen nicht groß zu sein, und können sogar
im Wesentlichen für
das bloße
Auge unsichtbar sein.