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FELD DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung bezieht sich auf flexible Riemen. Insbesondere bezieht
sie sich auf flexible Riemen, welche aus Fasern hergestellt werden,
welche mit einem oder mehreren flüssigen Elastomeren beschichtet
sind.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Elektrofotografisches
Drucken ist ein wohlbekanntes und allgemein verwendetes Verfahren zum
Kopieren und Drucken von Originaldokumenten. Elektrofotografisches
Drucken wird durchgeführt durch
die Belichtung einer Lichtbilddarstellung des gewünschten
Dokuments auf einen im Wesentlichen gleichförmig geladenen Fotoaufnehmer.
In Reaktion auf dieses Lichtbild wird der Fotoaufnehmer entladen,
wodurch ein elektrostatisches verborgenes Bild des gewünschten
Dokuments auf der Oberfläche
des Fotoaufnehmers geschaffen wird. Nachfolgend werden Tonerpartikel
auf dem verborgenen Bild abgelagert, um ein Tonerbild auszubilden.
Dieses Tonerbild wird daraufhin von dem Fotoaufnehmer auf ein empfangendes
Substrat wie etwa ein Blatt Papier übertragen. Das übertragene
Tonerbild wird daraufhin auf das empfangende Substrat aufgeschmolzen.
Die Oberfläche
des Fotoaufnehmers wird daraufhin von restlichem Entwicklermaterial
gereinigt und in Vorbereitung für
die Erstellung eines weiteren Bildes wieder aufgeladen.
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Viele
elektrofotografische Drucker verwenden flexible Riemen. Beispielsweise
wird die Belichtung häufig
auf flexible Fotoaufnehmerriemen durchgeführt, die Übertragung verwendet häufig flexible Übertragungsriemen
und das Aufschmelzen wird häufig
unter Verwendung von flexiblen Schmelzriemen durchgeführt. Es
gibt zwei Typen von flexiblen Riemen, nämlich mit Naht versehene und
nahtlose. Mit Naht versehene Riemen werden dadurch hergestellt,
dass zwei Enden eines bandförmigen
Materials aneinander befestigt werden, wie etwa durch Nähen, Drahten,
Heften oder Kleben. Nahtlose Riemen werden typischerweise unter
Verwendung von relativ komplexen Prozessen hergestellt, welche eine
kontinuierliche, endlose Schicht erzeugen. Im allgemeinen sind nahtlose
Riemen wesentlich teuerer (5–7 ×) als vergleichbare
mit Naht versehene Riemen.
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Während mit
Naht versehene Bänder
relativ kostengünstig
sind, erzeugt die Naht eine „Schwelle", welche mit den
elektrischen und mechanischen Arbeitsschritten des Riemens wechselwirken
kann. Wenn ein mit Naht versehener Riemen beispielsweise ein Fotoaufnehmer
ist, kann die Naht mit den Belichtungs- und Tonerabscheidungsprozessen
wechselwirken und ein verschlechtertes endgültiges Bild bedingen. Wenngleich
es möglich
ist, den Betrieb des Druckers derart zu synchronisieren, dass das Nahtgebiet
nicht belichtet wird, erhöht
eine derartige Synchronisierung Kosten und Komplexität des Druckers.
Selbst mit Synchronisation bestehen noch zusätzlich mechanische Probleme,
welche mit der Nahtstufe verbunden sind, wie etwa erhöhte Abnützung der
Reinigerbürste
und mechanische Vibrationen. Daher weisen kostengünstige,
nahtlose Riemen erhebliche Vorteile gegenüber mit Naht versehenen Riemen
auf.
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Elektrofotografische
Druckriemen, gleich ob nahtlos oder mit Naht versehen, sind üblicherweise aus
vielfachen Schichten aufgebaut, wobei jede Schicht eine nützliche
Eigenschaft einführt.
Beispielsweise kann eine Schicht den überwiegenden Teil der mechanischen
Festigkeit des Riemens bereitstellen, eine weitere Schicht kann
eine bilderzeugende Schicht bereitstellen, und eine weitere Schicht kann
die Tonerablöseeigenschaften
des Riemens verbessern, während
noch eine weitere die thermischen Eigenschaften verbessern kann.
Weil die Vielfachschichten gegenseitig kompatibel sein sollten und
weil derartige Kompatibilität
erheblich den Bereich der akzeptablen Materialien einschränkt, ist
die Herstellung von elektrofotografischen Druckriemen mit vielfachen
Schichten eine besondere Herausforderung.
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Unter
den gegebenen Schwierigkeiten der Herstellung von nahtlosen flexiblen
Riemen und der Herstellung von flexiblen Riemen mit vielfachen Schichten
wäre daher
ein neuer Herstellungsprozess für
derartige flexible Riemen günstig.
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US-A-3300356
offenbart alle Schritte von Anspruch 1, ausgenommen das Ziehen der
ersten Fasern durch das erste flüssige
Elastomer.
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EP-A-481766
offenbart die Herstellung eines flexiblen Riemens ohne die Lehre
der Faserimprägnierung.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die Herstellung von flexiblen
Riemen zu verbessern. Dieses Ziel wird durch die Bereitstellung
eines Verfahrens zur Herstellung eines flexiblen Riemens gemäß Anspruch
1 erreicht. Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
niedergelegt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Aspekte der vorliegenden Erfindung werden im Ablauf der nachfolgenden
Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen offenbar:
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1 veranschaulicht
schematisch das Tränken
von Fasern in einem ersten Elastomer und darauffolgendes Aufwickeln
der getränkten
Fasern auf eine Hülse;
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2 veranschaulicht
das Durchführen
der umwickelten Hülse
durch eine Form, um die elastomergetränkten Fasern in die Form eines
Riemens zu glätten
und daraufhin das Aushärten
der geglätteten elastomergetränkten Fasern
zu einem Riemen;
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3 veranschaulicht
eine Seitenansicht eines flexiblen Riemens mit einer einzigen Schicht;
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4 verdeutlicht
eine elastomergetränkte Faserbahn,
welche um einen Stempel gewickelt wird;
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5 veranschaulicht
schematisch das Tränken
von Fasern in einem zweiten Elastomer und nachfolgendes Wickeln
der getränkten
Fasern auf einen ausgehärteten
Riemen;
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6 veranschaulicht
eine Seitenansicht eines flexiblen Riemens mit mehreren Schichten;
und
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7 veranschaulicht
ein alternatives Verfahren der Herstellung von flexiblen Riemen.
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EINGEHENDE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Der
Pultrusionsprozess wurde ein weitverbreitet verwendetes und sehr
wirkungsvolles Verfahren zur Herstellung von faserverstärkten zusammengesetzten
Materialien. Pultrusion wird üblicherweise durch
das Ziehen von Fasern von einem Faserspulengestell (Gestell) durch
ein wärmehärtendes
Harz, welches in einem Bad enthalten ist, derart durchgeführt, dass
die Fasern mit Harz getränkt
werden. Die getränkten
Fasern werden dann durch eine beheizte Form gezogen, welche das
Harz und die Fasern aushärtet,
um ein Produkt auszubilden, welches die allgemeine Form der Form
aufweist. Das gehärtete
Produkt wird daraufhin auf die gewünschte Länge geschnitten. Die durch
das Harzbad gezogenen Fasern können
individuelle Fasern sein oder Teil einer gewebten Matte. Der Pultrusionsprozess
ist für
die kontinuierliche Herstellung von Produkten im Bereich von einfachen
runden Stangen bis zu komplexeren Panelen geeignet.
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Im
Stand der Technik wurde Pultrusion fast ausschließlich mit
verschiedenen wärmehärtenden Kunststoffen
verwendet, um strukturell feste Formen zu erzeugen, welche eine
hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit aufweisen. Übliche Prozessabwandlungen
beinhalten die Herstellung von Deformationen in den aushärtenden
Fasern oder das Aufwickeln der Fasern vor dem endgültigen Aushärten, um
flächige Eigenschaften
zu erreichen. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung stellen
jedoch einen Pultrusionsprozess bereit, welcher für die Herstellung
flexiblen Riemen nützlich
ist.
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1 verdeutlicht
eine Pultrusionsmaschine 10, welche für die Herstellung von flexiblen
Riemen nützlich
ist. Diese Maschine schließt
eine Vielzahl von Rädern
oder Spulen 12 ein, von welchen die Fasern 14 in
der nachstehend beschriebenen Weise abgezogen werden. Diese Fasern
werden durch eine Vorform 16 zusammengeführt, welche
dabei hilft, dass die Faser glatt durch den übrigen Teil der Pultrusionsmaschine 10 bewegt
wird. Wenn die Fasern weiterhin gezogen werden, durchlaufen sie
die Vorform und gelangen in ein Pultrusionsbad 18. Das
Pultrusionsbad 18 enthält
ein flüssiges
Elastomer 19, welches so aushärtet, dass es ein flexibles
Material ausbildet. Wenn die Fasern in dem Pultrusionsbad zwischen
den Walzen 20 derart durchlaufen, dass die Fasern in dem
Pultrusionsbad 18 lange genug untergetaucht sind, um mit
flüssigem dem
Pultrusionsbad 18 lange genug untergetaucht sind, um mit
flüssigem Elastomer
gründlich
getränkt
zu werden. Die mit nicht ausgehärtetem,
flüssigen
Ela-stomer beschichteten Fasern werden daraufhin richtungsmäßig um einen Stempel 50 herum
aufgewickelt, welcher sich in der Richtung 44 dreht, um
die Fasern 14 von den Spulen 12 zu ziehen.
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Mit
nachfolgendem Bezug auf die 2 wird,
nachdem eine Riemenschicht mit der gewünschten Dicke auf dem Stempel 50 ausgebildet
ist, der umwickelte Stempel in einer Richtung 52 durch eine
Modellform 56 geführt.
Die Form glättet
die mit Elastomer getränkten
Fasern in die Form eines Riemens. Der umwickelte Stempel bewegt
sich weiterhin in der Richtung 52, bis derselbe zu einer
Aushärtestation 60 gelangt.
Die Aushärtestation
härtet
das flüssige
Elastomer auf den Fasern aus, wodurch ein faserverstärktes Elastomermaterial
erhalten wird. Das ausgehärtete,
faserverstärkte
Elastomermaterial wird daraufhin von der Hülse entfernt, wodurch der flexible Riemen 66 mit
einer einzigen Schicht gemäß 3 erhalten
wird.
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Die
Aushärtestation
kann die Form eines Ofens aufweisen, welcher das Elastomer erhitzt,
um eine dauerhafte Vernetzung der Makromoleküle des Elastomers zu bewirken.
Eine weitere Option für
eine Aushärtestation
besteht dann, eine Kühlstation
zu verwenden, welche ein thermoplastisches flüssiges Elastomer in ein flexibles
Elastomer kühlt.
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Wenngleich
mit dem Vorstehenden ein Weg zur Herstellung eines faserverstärkten, flexiblen
Riemens mit einer einzigen Schicht beschrieben wurde, können andere
Techniken ebenso verwendet werden. Es ist beispielsweise möglich, die
Fasern 14 mit einem flüssigen
Elastomer 19 durch Sprayen, Rollbeschichten oder Aufbürsten zu
Imprägnieren.
Weiterhin könnte
bei einigen Anwendungen die Aushärtestation 60 nicht
erforderlich sein, weil das flüssige Elastomer 19 lufttrocknen
kann. Eine weitere Abwandlung besteht dann, Fasern 14 zu
verwenden, welche Bestandteil einer gewebten Struktur sind. Anstelle
eines Faser-"Fadens", welcher um eine
Hülse 50,
wie in 1 vorgeschlagen, gewickelt wird, wird hier eine
gewebte Struktur in einem flüssigen
Elastomer getränkt
und um eine Hülse 50 gewickelt.
Dies ist in 4 veranschaulicht, in welcher
eine elastomergetränkte
Bahn 165 um einen Stempel 50 gewickelt wird, bis
ein Riemen mit einer gewünschten
Dicke erzeugt wird. Daraufhin wird dieser Riemen durch eine glättende Form
und eine Aushärtestation
gemäß 2 weiterverarbeitet.
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Wenngleich
der vorstehend beschriebene Prozess nützlich für die Herstellung von flexiblen
Riemen mit einer einzigen Schicht ist, sind flexible Riemen, welche
vielfache Schichten aufweisen, die unterschiedliche Riemeneigenschaften
bedingen, sehr wünschenswert.
Derartige Riemen können
leicht unter Verwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung
hergestellt werden. 5 veranschaulicht eine Pultrusionsmaschine 100,
welche nützlich
ist bei der Herstellung von flexiblen Riemen mit vielfachen Schichten.
Die Pultrusionsmaschine 100 schließt eine Vielzahl von Rädern oder
Spulen 112 ein, von welchen Fasern 114 abgezogen
werden. Wie bei der Maschine 10 können solche Fasern individuelle
Fasern oder eine gewebte Bahn sein. In beiden Fällen werden die Fasern durch
eine Vorform 116 zusammengefasst. Wenn die Fasern weiterhin
gezogen werden, verlassen sie den Vorformer und gelangen in ein
zweites Pultrusionsbad 118, welches ein zweites flüssiges Elastomer 119 enthält, welches
aushärtet, um
ein zweites flexibles Material aufzubauen. Wenn die Fasern in dem
zweiten Pultrusionsbad zwischen den Walzen 120 derart durchlaufen,
dass die Fasern in dem zweiten Pultrusionsbad 118 untergetaucht werden,
bis sie gründlich
mit dem zweiten flüssigen Elastomer 119 getränkt sind.
Wenn die mit dem zweiten flüssigen
Elastomer getränkten
Fasern aus dem zweiten Pultrusionsbad herausgezogen werden, werden
diese um einen Stempel 50 und auf eine erste Riemenschicht 66 aufgewickelt,
welche vorher ausgebildet wurde, jedoch nicht von dem Stempel entfernt
wurde. Wenn sich der Stempel dreht, werden die Fasern 114 von
den Spulen 112 abgezogen.
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Nachdem
eine zweite Riemenschicht mit einer gewünschten Dicke auf dem Stempel/der
ersten Schicht ausgebildet ist, wird der umwickelte Stempel durch
eine glättende
und formende Form und eine Aushärtestation
durchgeführt,
wie allgemein in 2 verdeutlicht. Wenn der ausgehärtete Riemen
von dem Stempel entfernt wird, wird ein flexibler Riemen 200 erhalten,
wie in 6 veranschaulicht. Dieser flexible Riemen weist
zwei Schichten aus faserverstärkten
Elastomeren auf, eine Schicht 66, welche mit einem flüssigen Elastomer 19 und
eine zweite Schicht 204, welche mit einem zweiten flüssigen Elastomer 119 beschichtet
wurde. Die Schichten stoßen
an einer Naht 206 zusammen.
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Durch
die Verwendung des vorstehend beschriebenen modifizierten Pultrutionsprozesses
ist es möglich,
Riemen herzustellen, welche technisch ausgelegte Eigenschaften aufweisen.
Wenn beispielsweise ein leichter, dauerhafter Riemen gewünscht wird,
kön nen
Fasern aus aromatischem Polyamid wie etwa KevlarTM die
Fasern 14 oder 114 aufbauen. Um eine hohe Anschmiegsamkeit
zu erreichen, kann ein flüssiges
Fluorelastomer aus Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen wie etwa
VitonTM, welches möglicherweise Additive enthält, um dessen elektrische
Eigenschaften zu verbessern, verwendet werden, um die aromatischen
Polyamidfasern zu beschichten. Sowohl KevlarTM als
auch VitonTM sind von E. I. Dupont erhältlich.
Wenn der Riemen als Übertragungsriemen
verwendet wird, wobei in diesem Fall gute Tonerablöseeigenschaften
wünschenswert
sind, können
die Fasern, welche die äußere Oberfläche des
Riemens ausbilden, mit einem Silikonpolymer beschichtet sein. Weitere
nützliche
Materialien schließen
Urethane ein. Selbstverständlich
können andere
Kombinationen von Fasern und flüssigen Elastomeren
verwendet werden, um andere gewünschte
Eigenschaften zu erzeugen. Zusätzlich können Webemuster
aus Gewebe, welche aus ausgehärteten
Fasern hergestellt sind, derart gesteuert werden, dass die gewünschten
Riemeneigenschaften erreicht werden. Beispielsweise kann durch das Verweben
der Fasern unter einem spitzen Winkel mit dem Umfang eine elastische
Schicht hergestellt werden, welche bevorzugte Elastizitätsrichtungen
aufweist.
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7 veranschaulicht
ein weiteres Verfahren der Herstellung eines flexiblen Riemens gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung. Dieses Verfahren verwendet vielfache
Spulen, die Spulen 302 und 304. Die Spule 302 trägt eine
Faser 306, während
die Spule 304 eine Faser 308 trägt. Zusätzlich tragen
mehrere Spulen, welche nicht gezeigt sind, die Fasern 310 und 312.
Diese Fasern werden auf einem Stempel 314 angeordnet. Wie
gezeigt werden die Fasern 310 entlang der Achse des Stempels angeordnet,
um eine untere Schicht auszubilden, die Fasern 306 werden
um die Fasern 310 gewickelt, um eine zweite Schicht auszubilden
die Fasern 308 werden über
die Fasern 310 und 306 gewickelt, um eine dritte
Schicht auszubilden, und die Fasern 312 werden entlang
der Achse des Stempels über
den Fasern 310, 306 und 308 angeordnet,
um eine vierte Schicht auszubilden. Die Fasern werden daraufhin durch
eine Form 316 (siehe unten) gezogen. Die Form 316 schließt einen
Versorgungsanschluss 317 ein, welcher ein Elastomer unter
Druck zu den Fasern derart fördert,
dass die Fasern mit Elastomer durchtränkt werden, wenn dieselben
sich durch die Form fortbewegen. Weiterhin formt und endbearbeitet
die Form 316 die Fasern und härtet das Elastomer aus, um
einen flexiblen Schlauch 318 auszubilden. Wenn der Schlauch
gezogen wird, werden die Fasern 310 und 312 (welche
axial verlaufen) von den Spulen abgezogen. Der sich erge bende Schlauch 318 wird
daraufhin beispielsweise mit einem Laser geschnitten, um flexible
Riemen auszubilden.
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Das
vorstehende Verfahren soll die Flexibilität des Pultrusionsprozesses
bei der Ausbildung von flexiblen Riemen erläutern. Es können wesentlich mehr Spulen,
Schichten und Fasern vorhanden sein. Unterschiedliche Schichten
können
unter Verwendung unterschiedlicher Kombinationen von Fasern ausgebildet
werden, welche schraubenförmige
gewickelt sein können.
Der Schlauch 318 muss selbst nicht ein Endprodukt sein.
Ein Schlauch 318 kann durch mehrere Pultrusionsstationen
laufen, um weitere Faserschichten zu empfangen, welche möglicherweise
mit unterschiedlichen Elastomeren beschichtet sind.